他励直流电动机的启动和调速实践

1.他励直流电动机的启动

生产机械对直流电动机的启动要求是：启动转矩Tst足够大，因为只有Tst大于负载转矩时，电动机方可顺利启动；启动电流Ist不可太大；启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。

1）全压启动

全压启动是在电动机磁场磁通为ΦN 的情况下，在电动机电枢上直接加以额定电压的启动方式。启动瞬间，电动机转速n=0，电枢绕组感应电动势Ea=KEΦn=0，由电动势平衡方程U=IaRa+Ea 可知，启动电流Ist=UN/Ra，启动转矩Tst=KTΦIst。

由于电枢电阻Ra 阻值很小，额定电压下直接启动的启动电流很大，通常可达额定电流的10～20倍，启动转矩也很大。过大的启动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。启动转矩过大，可能会使轴上生产机械受到不允许的机械冲击。所以，全压启动只限于容量很小的直流电动机。

2）降压启动

降压启动是启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流Ist，为了获得足够大的启动转矩，启动时电流通常限制在（1.5～2）IN 内，则启动电压应为Ust=IstRa=（1.5～2）INRa，随着转速n 的上升，电动势Ea 逐渐增大，Ia 相应减小，启动转矩也减小。为使Ist保持在（1.5～2）IN 范围内，即保证有足够大的启动转矩，启动过程中电压U 必须逐渐升高，直到升至额定电压UN，电动机进入稳定运行状态，启动过程结束。目前多采用晶闸管整流装置自动控制启动电压。

3）电枢回路串电阻启动

电枢回路串电阻启动是电动机电源电压为额定值且恒定不变时，在电枢回路中串接一启动电阻Rst来达到限制启动电流的目的，此时Ist=UN/（Ra+Rst），启动过程中，由于转速n 上升，电枢电动势Ea 上升，启动电流Ist下降，启动转矩Tst下降，电动机的加速度作用逐渐减小，致使转速上升缓慢，启动过程延长。欲想在启动过程中保持加速度不变，必须要求电动机的电枢电流和电磁转矩在启动过程中保持不变，即随着转速上升，启动电阻Rst应平滑均匀地减小。通常把启动电阻分成若干段，来逐级切除。图2.18所示为他励直流电动机串电阻启动电路图，Rst4、Rst3、Rst2、Rst1为各级串入的启动电阻，KM 为电路接触器，KM1、KM2、KM3、KM4 为启动接触器，用它们的常开主触头来短接各段电阻。其启动过程机械特性曲线如图2.19所示。

图2.18　他励直流电动机电枢回路串电阻启动

图2.19　他励直流电动机4级启动机械特性曲线

电动机励磁绕组通电后，再接通电路接触器KM 线圈，其常开触头闭合，电动机接上额定电压UN，此时电枢回路串入全部启动电阻R4=Ra+Rst4+Rst3+Rst2+Rst1启动，启动电流Ist=UN/R4，产生的启动转矩Tst1＞TL（设TL=TN）。电动机从a 点开始启动，转速沿特性曲线上升至b点，随着转速上升，反电动势Ea=KEΦn 上升，电枢电流减小，启动转矩减小，当减小至Tst2时，启动接触器KM1 得电吸合，其常开触头闭合，短接第1级启动电阻Rst4，电动机由R4 的机械特性曲线切换到R3（R3=Ra+Rst3+Rst2+Rst1）的机械特性曲线。切换瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电动势Ea 不变，电枢电流将突然增大，转矩也成比例突然增大，恰当地选择电阻，使其增加至Tst1，电动机运行点从b点跳变至c 点。从c点沿cd 曲线继续加速到d 点，KM2 常开触头闭合，切除第2级启动电阻Rst3，电动机运行点从d 点跳变到e 点，电动机沿ef 曲线加速，如此周而复始，依次使启动接触器KM3、KM4 常开触头闭合，电动机由a点经b、c、d、e、f、g、h 点到达i 点。此时，所有启动电阻均被切除，电动机进入固有机械特性曲线运行并继续加速至k点。在k点T=TL，电动机稳定运行，启动过程结束。

【例2.3】　一台他励直流电动机，PN=10kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=55A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.2Ω，求采用直接启动时的启动电流为多少？若采用串接电阻启动，如果启动电流控制在额定电流2倍，应串入多大的电阻？(www.xing528.com)

解　直接启动时

采用串电阻启动

2.他励直流电动机的调速

为了提高劳动生产率和保证产品质量，要求生产机械在不同的情况下有不同的工作速度，这种人为地改变电动机转速的方法称为调速。

必须注意，调速和电动机负载变化引起的转速变化是两个不同的概念。负载变化引起的转速变化是自动进行的，电动机工作点只在一条机械特性曲线上变动。调速是根据生产需要人为地改变电气参数，使电动机的运行点由一条机械特性曲线转变到另一条机械特性曲线上，从而在某一负载下得到不同的转速。因此，调速方法就是改变电动机机械特性曲线的方法。

由直流电动机机械特性方程式可知，人为地改变电枢电压U、电枢回路总电阻R 和主磁通Ф 都可改变转速n。所以，他励直流电动机的调速方法有：降压调速、电枢回路串电阻调速和弱磁通调速三种。

1）降压调速

若电压平滑变化，可得到平滑调速，优点是调速范围宽，能耗小；缺点是需要专用电源，设备投资大。

2）电枢回路串电阻调速

随着R 增大，一定转矩下，电动机转速降低。这种方法设备简单，操作方便，调速电阻可兼作启动电阻；缺点是R 上电流较大，能量损耗大，效率低。

3）弱磁通调速

励磁回路电阻Rf 增加，If 减小，Φ 减小，一定转矩下，转速增高。由于If 小，能耗小，效率高，设备简单，控制方便。但在转矩T 一定时，Φ 减小，Ia 增大，故不宜将Φ 减小过多。对恒功率负载而言，Φ 减小，n增高，T 减小，Ia 变化不大，故此法适用于此类负载。