直流电动机的启动和转向控制

1.直流电动机的启动

所谓启动是指直流电动机接通电源，转子由静止开始加速直到稳定运转的过程。电动机在启动瞬间的电枢电流叫作启动电流，用Ist表示。启动瞬间产生的电磁转矩称为启动转矩，用Tst表示。

直流电动机启动的一般要求如下：

（1）启动转矩要足够大，以便带动负载，缩短启动时间。

（2）启动电流要限制在一定的范围内，避免对电机及电源产生危害。

（3）启动设备要简单、可靠。

直接启动、电枢串变阻器启动和降压启动是直流电动机的三种启动方法。下面以并励电动机为例分别说明如下：

（1）直接启动。直接将直流电动机接到额定电压的电源上启动，叫直接启动（实际就是全压启动）。如图5.20所示。启动时，应先将并励绕组通电，后接入电枢回路，因此必须先合上开关K1，并调节励磁电阻，使励磁电流最大。磁场建立后，再闭合K2，将额定电压直接加在电枢绕组上，电机开始启动。在电动机启动瞬间，n=0，Ea=CeΦn=0，这时启动电流

启动转矩

直接启动过程中，ia和n随时间的变化情况如图5.21所示。刚开始启动时，电流ia和电磁转矩T上升很快，当T＞T0（空载转矩）时，电动机开始转动，同时产生反电动势e。随着转速的上升，反电动势不断增大，电流上升减慢，达到最大值Ist后就开始下降，转矩随之减小，此后转速上升缓慢，当T=T0时，转速稳定不变，电流也保持为空载电流Ia0，启动过程完成。

直接启动不需增加启动设备，操作方便，有大的启动转矩，可是启动电流过大，达到（10～20）IN。易使电机温升过高，不利电机自身换向，对绕组和转轴产生较大的机械冲击，并且还会使电网电压产生很大波动，影响电网上其他用户的设备正常工作。因此直接启动只适用于很小容量的直流电动机，对较大容量的电动机要采用其他方法启动。

图5.20　并励直流电动机的直接启动

图5.21　直接启动的电枢电流和转速变化曲线

（2）电枢电路串变阻器启动。串变阻器启动就是启动时在电枢电路串入启动电阻Rst（可变电阻）以限制启动电流，随着转速上升，逐步逐极切除变阻器。

式中：R1为启动时第一级电枢回路的总电阻。

为保证有较大的启动转矩，缩短启动时间，启动电流被限定在一定的范围内，一般取Ist=（1.3～1.6）IN。

开始启动时，启动电流最大。随着电动机转速的升高，反电动势逐渐变大，启动电流逐渐变小，等下降到规定的最小值时，将启动电阻切除一级，启动电流又回升到最大值，依次按电流的变化切除其他级电阻，完成电动机的启动过程。启动电阻的级数越多，启动过程就越平稳，但设备投资增加。

(www.xing528.com)

图5.22　三点启动器的原理图

对小容量的直流电动机，常用三点启动器，如图5.22所示。启动时，手柄置于触点1上（不用时处于0位置），接通励磁电源的同时，在电枢回路串入全部电阻，开始启动电机。移动手柄，每过一个触点，即切除一级电阻，当手柄移到最后一个触点5时，电阻全部切除，启动手柄被电磁铁吸住。如果电机工作过程中停电，和手柄相连的弹簧可将其拉回到启动前的0位置，起到保护作用。

串变阻器启动所需设备不多，但较笨重，能量损耗大，在中、小型直流电动机启动中应用广泛。大型电机中常用降压启动。

（3）降压启动。降低电压可有效地减小启动电流，因为。当直流电源的电压能调节时，可以对电动机进行降压启动。刚启动时，启动电流较小，随着电机转速的升高，反电动势逐渐加大，这就需要逐渐升高电源电压，保持启动电流和启动转矩的数值基本不变，使电动机转速按需要的加速度上升，满足启动时间的需要。

直流的发电机-电动机组通常作为可调压的直流电源，也就是用一台直流发电机给一台直流电动机供电。通过调节发电机的励磁电流，改变发电机的输出电压，从而改变电动机电枢的端电压。如今，晶闸管技术高度发展，晶闸管整流电源正逐步取代直流发电机。

降压启动的优点是启动电流小，能耗小，启动平稳；缺点是需要专用电源，设备投资较大。因而降压启动多用于容量较大的直流电动机。

【例5.2】 一台他励直流电动机的额定值为UN=440V，IN=76.2A。电枢电阻Ra=0.393Ω。求：

（1）电动机直接启动时的启动电流与额定电流的比值。

（2）如采用串电阻启动，启动电流为1.5的额定电流，应在电枢电路串入多大的电阻？

解：（1）直接启动时的启动电流

启动电流和额定电流的比值

（2）

电枢回路总电阻为

2.改变转向

在电力拖动装置工作过程中，由于生产的要求，常常需要改变电动机的转向。如起重机的提升和下放重物、轧钢机对工件的来回碾压、龙门刨的往复动作等。直流电动机的旋转方向是由气隙磁场和电枢电流的方向共同决定的。所以改变电动机转矩方向有两种方法：

（1）电枢绕组反接（即改变电枢电流的方向）。实际操作就是改变电枢两端的电压极性或把电枢绕组两端反接。

（2）励磁绕组反接（即改变气隙磁场的方向）；实际操作就是改变绕组两端的励磁电压的极性或把绕组两端反接。

如果同时改变励磁磁场和电枢电流的方向，电动机的转向不会改变。由于励磁绕组匝数较多，电感较大，反向励磁的建立过程缓慢，从而使反转过程不能迅速进行，所以通常多采用反接电枢绕组的方法。如果电动机正转时，转矩和转速的方向为正；反转时，转矩和转速应为负，那么电动机反转后的机械特性应在第三象限内。