启动他励直流电动机的方法

【学习任务】（1）正确说出直流电动机的启动要求。

（2）正确分析直流电动机的启动过程。

（3）正确选择直流电动机的启动方式。

任务手册11：直流电机的控制

微课11.1：直流电机的启动

直流电动机的启动是指直流电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在启动瞬间（n＝0）的电磁转矩称为启动转矩，用Tst表示；启动瞬间的电枢电流称为启动电流，用Ist表示。

1.直流电动机的启动要求

如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间转速n＝0，电枢电动势Ea＝0，故启动电流为

因为电枢电阻Ra很小，所以直接启动电流将达到很大的数值，通常可达到额定电流的10～20倍。从电动机本身考虑，换向条件许可的最大电流通常只有额定电流的2倍左右。过大的启动电流一方面会危及直流电动机本身的安全，会使电刷与换向器间产生强烈的火花，使电刷与换向器表面接触电阻增大，使电动机在正常运行时的转速降落增大、电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机；另一方面，会引起电网电压的波动，影响电网上其他用户的正常用电。因此，除了个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不允许直接启动的。

启动转矩为

因为电动机启动电流很大，故启动转矩也很大，通常可为额定转矩的10～20倍。电枢绕组会受到过大的冲击转矩而损坏；对于传动机构来说，过大的启动转矩会损坏齿轮等传动部件。

直流电动机启动时一般有以下要求：

（1）要有足够大的启动转矩，以保证电动机正常启动。

（2）启动电流要限制在一定的范围内，一般限制在2.5倍额定电流之内。

（3）启动设备要简单、可靠。

为了限制启动电流，他励直流电动机通常用电枢回路串电阻启动或降低电枢电压启动。无论采用哪种启动方法，启动时都应保证电动机的气隙磁通达到最大值。这是因为在同样的电流下，Φ大则Tst大；而在同样的转矩下，Φ大则Ist可以小一些。

2.他励直流电动机的启动方法

1）电枢回路串电阻启动

电动机启动前，应使励磁回路调节电阻Rst＝0，这样励磁电流If最大，使磁通Φ最大。电枢回路串接启动电阻Rst在额定电压下的启动电流为

式中　Rst值应使Ist不大于允许值。对于普通直流电动机，一般要求Ist≤（1.5～2）IN。

在启动电流产生的启动转矩作用下，电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的升高，电枢电动势（反电动势）Ea逐渐增大，使电枢电流逐渐减小，电磁转矩也随之减小，这样转速的上升就逐渐缓慢下来。为了缩短启动时间，保持电动机在启动过程中的加速度不变，就要求启动过程中电枢电流保持不变，因此随着电动机转速的升高，应将启动电阻平滑地切除，最后使电动机转速达到运行值。

实际上，平滑地切除电阻是不可能的，一般的他励直流电动机，启动时在电枢回路中串入多级（通常是2～5级）电阻来限制启动电流。专门用来启动电动机的电阻称为启动电阻器（又称启动器）。启动时，将启动电阻全部串入，当转速上升时，在启动过程中再将电阻逐级加以切除，直到电动机的转速上升到稳定值，启动过程结束。启动电阻的级数越多，启动过程就越快、越平稳，但所需要的控制设备也越多，投资也越大。

三级电阻启动时电动机的电路原理图及其机械特性如图11－1所示。

他励直流电动机的启动过程如图11－1（a）所示。启动开始时，接触器触点KM闭合，而KM1，KM2，KM3断开，额定电压UN加在电枢回路总电阻R3（R3＝Ra＋Rst1＋Rst2＋Rst3）上，启动电流为，此时启动电流Ist和启动转矩Tst均达到最大值（通常取额定值的2倍左右）。接入全部启动电阻R3时的人为特性曲线如图11－1（b）曲线1所示。启动瞬间对应于a点，因为启动转矩T1大于负载转矩TL，所以电动机开始加速，电动势逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿曲线1箭头方向移动。当转速升到n1、电流降至I2、转矩减至T2（图中b点）时，触点KM3闭合，切除电阻Rst3，I2称为切换电流，一般取I2＝（1.1～1.2）IN或T2＝（1.1～1.2）TN。切除电阻Rst3后，电枢回路电阻减小为R2＝Ra＋Rst1＋Rst2，与之对应的人为特性曲线如图11－1（b）曲线2所示。在切除电阻瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，所以电动机的工作点由b点沿水平方向跃变到曲线2上的c点。选择适当的各级启动电阻，可使C点的电流仍为I1，这样电动机又在最大转矩T1下进行加速，工作点沿曲线2箭头方向移动。当到达d点时，转速升至n2，电流又降至I2，转矩也降至T2，此时触点KM2闭合，将Rst2切除，电枢回路电阻变为R1＝Ra＋Rst1，工作点由d点平移到人为特性曲线3上的e点。e点的电流和转矩仍为最大值，电动机又在最大转矩T1下加速，工作点在曲线3上移动。当转速升至n3时，即在f点切除最后一级电阻Rst1后，电动机将过渡到固有特性上，并加速到h点，处于稳定运行状态，启动过程结束。

图11－1　他励电动机串电阻多级启动

（a）串电阻启动电路；（b）串电阻多级启动机械特性

在启动过程中，若要使电动机的转速均匀上升，只有让启动电流和启动转矩保持不变，即启动电阻应平滑地切除，但是实际上很难办到，通常将启动电阻分成许多段，分的段越多，则启动电流过大，难以保证安全，故手动启动器广泛应用于各种中小型直流电动机中，而较大容量的直流电动机需采用自动启动器。

2）降低电枢电压启动

降低电枢电压启动简称降压启动。当直流电源电压可调时，可以采用降压启动。启动时，以较低的电源电压启动电动机，通过降低启动时的电枢电压来限制启动电流，启动电流随电压的降低而正比减小，因而启动转矩减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，从而保证电动机按需要的加速度升速，待电压达到额定值时，电动机稳定运行，启动过程结束。

这种启动方法需要可调压的直流电源，过去多采用直流发电机—电动机组，即每一台电动机专门由一台直流发电机供电，当调节发电机的励磁电流时，便可改变发电机的输出电压，从而改变加在电动机电枢两端的电压。随着晶闸管技术和计算机技术的发展，直流发电机逐步被晶闸管整流电源所取代。(www.xing528.com)

自动化生产线中均采用降压启动，在实际工作中一般从50 V开始启动，稳定后逐渐升高电压直至达到生产要求的转速为止。因此，这是一种比较理想的启动方法。

降压启动的优点是启动电流小，启动过程中消耗的能量少，启动平滑，但需配备专用的直流电源，设备投资大，多用于要求经常启动的大中型直流电动机。

自测题

一、填空题

1.直流电动机常用的启动方法有__________、____________和__________。

2.电机启动时，其转速为________、电枢中的感应电动势也为________。

3.电机启动时的电磁转矩称为________。

4.直流电机由静止状态加速到正常运转的过程称为________。

5.直流电机降压启动的目的是______________。

答案11.1

二、选择题

1.欲使电动机能顺利启动达到额定转速，要求（　　）电磁转矩大于负载转矩。

A.平均　　　　　　　B.瞬时　　　　　　　C.额定　　　　　　　D.以上答案都不对

2.直流电动机启动时电枢回路串入电阻是为了（　　）。

A.增加启动转矩　B.限制启动电流　C.增加主磁通　D.减少启动时间

3.直流电动机直接启动时的启动电流是额定电流的（　　）倍。

A.4～7　B.1～2　C.10～20　D.20～30

4.直流电动机采用降低电源电压的方法启动，其目的是（　　）。

A.使启动过程平稳　B.减小启动电流　C.减小启动转矩　D.节省电能

三、判断题

1.直流电动机可以直接启动。（　　）

2.启动时的电磁转矩可以小于负载转矩。（　　）

3.直流电动机串多级电阻启动。在启动过程中，每切除一级启动电阻，电枢电流都将突变。（　　）

4.并励直流电动机不可轻载运行。（　　）

5.直流电动机采用降低电源电压的方法启动，其目的是使启动过程平稳。（　　）

四、分析计算题

1.容量为几个千瓦时，为什么直流电动机不能直接启动？

2.他励直流电动机启动时，为什么要先加励磁电压？如果未加励磁电压（或因励磁线圈断线），而将电枢通电源，在空载启动或负载启动会有什么后果？