能耗制動控制原理和電路設(shè)置

隨著機械工業(yè)的快速發(fā)展，許多設(shè)備或機床，如數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、專用車床、臥式鏜床等，都要求能迅速停車，以縮短輔助生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。這就要求對電動機進行制動，強迫其立即停車。制動停車的方式有兩大類，機械制動和電氣制動。機械制動采用機械抱閘或液壓裝置制動，其優(yōu)點是控制簡單，缺點是機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高；電氣制動是使電動機產(chǎn)生一個與原來轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反的制動轉(zhuǎn)矩，其優(yōu)點是整體結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、利于機床實現(xiàn)自動化控制，缺點是電氣控制線路稍微復(fù)雜。

1傳統(tǒng)能耗制動控制電路

1.1傳統(tǒng)能耗制動控制原理

圖1所示為傳統(tǒng)能耗制動控制電路圖，圖中整流裝置由變壓器TC和整流二極管組成，通過橋式整流電路把TC輸出的交流電變成直流電。KM2為制動用的接觸器，KT為時間繼電器，R是可調(diào)電阻，其作用是調(diào)節(jié)制動電流的大小。

停車時，按停止按鈕SB1，KM1失電切斷交流電源，并使KM2得電，使電動機M加入直流電源，進行能耗制動。KM2得電的同時KT得電，當(dāng)制動到零速時，延時打開的動斷觸點按預(yù)先調(diào)整好的時間打開，使KM2失電，切斷直流電源，制動完畢。

圖1傳統(tǒng)能耗制動控制電路圖

1.2傳統(tǒng)能耗制動控制電路存在的一些缺陷

圖1所示能耗制動控制電路的優(yōu)點是制動主控制線路簡單，僅由變壓器TC、整流二極管、可調(diào)電阻R、接觸器KM2組成，使用元件少，設(shè)計、制作、安裝調(diào)試方便；其缺點是：1）可調(diào)電阻R調(diào)節(jié)制動電流范圍有限，且靈敏度不足；2）對于大中型電動機，要用大電流的整流二極管，使用時間長了整流二極管容易失效；3）成本高，因為變壓器的容量不小，因此變壓器價格不低，整體成本較高；4）圖1所示能耗制動控制電路僅用于小型電動機，對于中大型電動機還得另尋其他設(shè)計方案。

2一種新穎、適用的能耗制動控制電路的設(shè)計

2.1新穎、適用的能耗制動主控電路的原理

圖2所示為可控硅整流電路，該整流電路由可控硅SCR、續(xù)流二極管D1、接觸器KM2組成。當(dāng)KM1斷開的同時，KM2接通，此時電流由火線W相→接觸器KM2→電動機定子繞組線圈→接觸器KM2→可控硅SCR→零線N形成回路。在W相的正半周內(nèi)，可控硅SCR承受正向電壓，在ωt=α?xí)r，在控制極引入觸發(fā)脈沖，SCR即導(dǎo)通，電壓加到電動機定子繞組線圈兩端，同時有電流流過。在W相的負(fù)半周內(nèi)，可控硅SCR承受反向電壓而阻斷，此時加到電動機定子繞組線圈兩端電壓為零，因此在電動機定子繞組線圈上得到一個單向脈動電壓VL，如圖3所示。同時，由于續(xù)流二極管D1的作用，在電動機定子繞組線圈上得到一個回路電流iL，如圖3所示。

圖2可控硅整流電路圖

圖3波形圖

加大控制角α，可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變小，此時制動時間變長；減小控制角α，可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變大，此時制動時間變短。

2.2可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計原理

圖4所示，為可控硅觸發(fā)電路圖，圖中TC為同步變壓器，它的原邊接在主電路W相電源上，副邊得到同頻率的交流電壓，經(jīng)橋式整流后，再經(jīng)穩(wěn)壓管限幅，在穩(wěn)壓管D2兩端獲得一個梯形波電壓，如圖5所示。此電壓作為可控硅的供電電壓。因此，當(dāng)交流電源電壓過零時，單結(jié)晶體管BT33F兩基極的電壓也過零，此時電容C1通過R4很快放電到0V，因而，每一半周開始時C1總是從零開始充電，從而使下一個半周電容從零開始充電，這樣就可使每半周發(fā)出一個觸發(fā)脈沖的時間相同。

圖4可控硅觸發(fā)電路圖

梯形波電壓通過電阻R2+RW向電容充電，當(dāng)電容兩端電壓C1等于單結(jié)晶體管BT33F的峰值電壓時，電容經(jīng)BT33F管向電阻R4放電。在電容的放電過程中，BT33F管發(fā)射極電位急劇下降，當(dāng)?shù)陀诠赛c電位時，BT33F管便截止，R4輸出電壓降到0V，即完成一次振蕩。放電一結(jié)束，電容又開始重新充電并重復(fù)上述過程，結(jié)果在電容C1上形成鋸齒波電壓VC1，如圖6所示，而在電阻R4得到一個周期性的尖脈沖輸出電壓，如圖6所示。

圖5穩(wěn)壓管兩端電壓波形圖

圖6電壓波形圖

由于在每個半周內(nèi)，第一個觸發(fā)脈沖時刻取決于電容C1充電常數(shù)τ=（R2+RW）C1的大小，電容C1充電常數(shù)小，可控硅的控制角α就愈小，整流輸出平均電壓也愈高。在電路中，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW的大小來改變充電時間常數(shù)，從而達(dá)到改變α角使觸發(fā)脈沖移相的目的。

3可控硅能耗制動控制電路設(shè)計的局限性

對于單速電動機，用可控硅能耗制動控制電路有許多優(yōu)點：1）可調(diào)電阻調(diào)節(jié)制動電流范圍大，且靈敏度高，制動效果好；2）對于大中型電動機，可以設(shè)計成一個通用電路，針對不同功率的電動機，只更換可控硅與續(xù)流二極管即可；3）成本低，因為變壓器的容量小，因此變壓器價格不高，整體成本較低；4）線路簡單，維修方便。但對于雙速電動機，直接用可控硅能耗制動控制電路制動效果有一定的局限性。

對于雙速電動機，首先考慮的是高速極的制動效果，當(dāng)此方案用在高速極時，因電動機轉(zhuǎn)速較高，電動機繞組線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較大，通過調(diào)整圖4可調(diào)電阻RW的大小來滿足制動強度的要求。當(dāng)電動機低速轉(zhuǎn)時，如制動線路完全按高速極的線路，因電動機轉(zhuǎn)速較低，電動機繞組線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢較小，因此出現(xiàn)制動強度不足的現(xiàn)象，此時要改變RW的大小來滿足制動強度的要求。當(dāng)電動機低速轉(zhuǎn)時，可在電阻RW上并上另一個電阻，調(diào)節(jié)此時的制動強度，來滿足快速制動的要求。