一種新穎、適用的能耗制動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

黃應(yīng)勇

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545006）

0 引言

隨著機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，許多設(shè)備或機(jī)床，如數(shù)控車(chē)床、數(shù)控鉆床、專(zhuān)用車(chē)床、臥式鏜床等，都要求能迅速停車(chē)，以縮短輔助生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。這就要求對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，強(qiáng)迫其立即停車(chē)。制動(dòng)停車(chē)的方式有兩大類(lèi)，機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)[1]。機(jī)械制動(dòng)采用機(jī)械抱閘或液壓裝置制動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高；電氣制動(dòng)是使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與原來(lái)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、利于機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，缺點(diǎn)是電氣控制線(xiàn)路稍微復(fù)雜。

1 傳統(tǒng)能耗制動(dòng)控制電路

1.1 傳統(tǒng)能耗制動(dòng)控制原理

圖1 所示為傳統(tǒng)能耗制動(dòng)控制電路圖[2]，圖中整流裝置由變壓器TC和整流二極管組成，通過(guò)橋式整流電路把TC輸出的交流電變成直流電。KM2為制動(dòng)用的接觸器，KT 為時(shí)間繼電器，R 是可調(diào)電阻，其作用是調(diào)節(jié)制動(dòng)電流的大小。

停車(chē)時(shí)，按停止按鈕SB1，KM1失電切斷交流電源，并使KM2 得電，使電動(dòng)機(jī)M 加入直流電源，進(jìn)行能耗制動(dòng)。KM2得電的同時(shí)KT得電，當(dāng)制動(dòng)到零速時(shí)，延時(shí)打開(kāi)的動(dòng)斷觸點(diǎn)按預(yù)先調(diào)整好的時(shí)間打開(kāi)，使KM2 失電，切斷直流電源，制動(dòng)完畢。

圖1 傳統(tǒng)能耗制動(dòng)控制電路圖

1.2 傳統(tǒng)能耗制動(dòng)控制電路存在的一些缺陷

圖1所示能耗制動(dòng)控制電路的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)主控制線(xiàn)路簡(jiǎn)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(jì)、制作、安裝調(diào)試方便；其缺點(diǎn)是：1）可調(diào)電阻R調(diào)節(jié)制動(dòng)電流范圍有限，且靈敏度不足；2）對(duì)于大中型電動(dòng)機(jī)，要用大電流的整流二極管，使用時(shí)間長(zhǎng)了整流二極管容易失效；3）成本高，因?yàn)樽儔浩鞯娜萘坎恍?，因此變壓器價(jià)格不低，整體成本較高；4）圖1 所示能耗制動(dòng)控制電路僅用于小型電動(dòng)機(jī)，對(duì)于中大型電動(dòng)機(jī)還得另尋其他設(shè)計(jì)方案。

2 一種新穎、適用的能耗制動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 新穎、適用的能耗制動(dòng)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(kāi)的同時(shí)，KM2 接通，此時(shí)電流由火線(xiàn)W相→接觸器KM2→電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈→接觸器KM2→可控硅SCR→零線(xiàn)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(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈兩端，同時(shí)有電流流過(guò)。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(shí)加到電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈兩端電壓為零，因此在電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈上得到一個(gè)單向脈動(dòng)電壓VL，如圖3所示。同時(shí)，由于續(xù)流二極管D1的作用，在電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈上得到一個(gè)回路電流iL，如圖3所示[3]。

加大控制角α，可使電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈回路電流iL的變小，此時(shí)制動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)；減小控制角α，可使電動(dòng)機(jī)定子繞組線(xiàn)圈回路電流iL的變大，此時(shí)制動(dòng)時(shí)間變短。

圖2 可控硅整流電路圖

圖3 波形圖

2.2 可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)零時(shí)，單結(jié)晶體管BT33F兩基極的電壓也過(guò)零，此時(shí)電容C1通過(guò)R4很快放電到0V，因而，每一半周開(kāi)始時(shí)C1總是從零開(kāi)始充電，從而使下一個(gè)半周電容從零開(kāi)始充電，這樣就可使每半周發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)間相同。

圖4 可控硅觸發(fā)電路圖

梯形波電壓通過(guò)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(shí)，電容經(jīng)BT33F管向電阻R4放電。在電容的放電過(guò)程中，BT33F管發(fā)射極電位急劇下降，當(dāng)?shù)陀诠赛c(diǎn)電位時(shí)，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(kāi)始重新充電并重復(fù)上述過(guò)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上得到一個(gè)周期性的尖脈沖輸出電壓，如圖6所示。

由于在每個(gè)半周內(nèi)，第一個(gè)觸發(fā)脈沖時(shí)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(lái)改變充電時(shí)間常數(shù)，從而達(dá)到改變?chǔ)两鞘褂|發(fā)脈沖移相的目的。

圖5 穩(wěn)壓管兩端電壓波形圖

圖6 電壓波形圖

3 可控硅能耗制動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)的局限性

對(duì)于單速電動(dòng)機(jī)，用可控硅能耗制動(dòng)控制電路有許多優(yōu)點(diǎn)：1）可調(diào)電阻調(diào)節(jié)制動(dòng)電流范圍大，且靈敏度高，制動(dòng)效果好；2）對(duì)于大中型電動(dòng)機(jī)，可以設(shè)計(jì)成一個(gè)通用電路，針對(duì)不同功率的電動(dòng)機(jī)，只更換可控硅與續(xù)流二極管即可；3）成本低，因?yàn)樽儔浩鞯娜萘啃?，因此變壓器價(jià)格不高，整體成本較低；4）線(xiàn)路簡(jiǎn)單，維修方便。但對(duì)于雙速電動(dòng)機(jī)，直接用可控硅能耗制動(dòng)控制電路制動(dòng)效果有一定的局限性。

對(duì)于雙速電動(dòng)機(jī)，首先考慮的是高速極的制動(dòng)效果，當(dāng)此方案用在高速極時(shí)，因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電動(dòng)機(jī)繞組線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大，通過(guò)調(diào)整圖4可調(diào)電阻RW的大小來(lái)滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度的要求。當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)時(shí)，如制動(dòng)線(xiàn)路完全按高速極的線(xiàn)路，因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電動(dòng)機(jī)繞組線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，因此出現(xiàn)制動(dòng)強(qiáng)度不足的現(xiàn)象，此時(shí)要改變RW的大小來(lái)滿(mǎn)足制動(dòng)強(qiáng)度的要求。當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)時(shí)，可在電阻RW上并上另一個(gè)電阻，調(diào)節(jié)此時(shí)的制動(dòng)強(qiáng)度，來(lái)滿(mǎn)足快速制動(dòng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)制動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方案很多，每種方案都有各自的適用范圍與特點(diǎn)，但是必須首先要滿(mǎn)足快速制動(dòng)功能的需要，其次要滿(mǎn)足安全可靠的需要。本文提供一種線(xiàn)路簡(jiǎn)單、低成本、安全可靠的設(shè)計(jì)方案。其線(xiàn)路簡(jiǎn)單在于所使用的電器元件少，線(xiàn)路組裝容易；其低成本在于與其他制動(dòng)控制系統(tǒng)相比，總的費(fèi)用更低；其安全可靠在于使用地電器元件性能可靠，控制穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)方案對(duì)于雙速電動(dòng)機(jī)低速時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)強(qiáng)度不足的現(xiàn)象，提出了解決方法，可供廣大電氣、機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員及技術(shù)人員參考使用。