直流电机的起动与反转

要正确使用一台电机， 首先碰到的问题是怎样把它开动起来， 要使电机起动过程达到最优要求， 应考虑的问题包括以下几个方面： （1） 起动电流的大小； （2） 起动转矩的大小；（3） 起动时间的长短； （4） 起动过程是否平滑， 即加速是否均匀； （5） 起动过程中的能量损耗和发热量的大小； （6） 起动设备是否简单和可靠性如何。

一、 直流电机的起动

所谓电机的起动， 是指电机接通电源后， 转速由零上升到稳定转速的过程。 对直流电机起动的要求是， 在保证起动转矩足够大的前提下， 尽量减小起动电流。

直流电机的起动方法有： 全压起动、 降压起动、 转子回路串接电阻起动。

1. 全压起动

全压起动就是直流电机在额定电压下直接起动。 起动时， 转子电流为：

在起动瞬间，转速n＝0，因此Ea＝0，又由于Ra非常小，所以起动电流Ist很大，可达到额定电流的10～20倍， 这么大的起动电流是电机过载能力所不允许的。 它可能造成转子绕组绝缘损坏， 甚至烧断绕组； 换向火花增大， 烧坏换向器； 对电源造成很大的冲击， 波及同一电网上的其他设备。

另外，直接起动时的起动转矩为Tst＝CmΦIst，由于起动电流Ist本身很大，所以起动转矩也很大， 较大的起动转矩对电机的机械传动部分产生很大的冲击力， 会造成机械性损伤。 因此， 只有容量很小的电机， 才采用全压起动。 稍大容量的电动机起动时必须采取措施限制起动电流。

2. 减压起动

在电机起动瞬间，n＝0，Ea＝0，I＝。如果降低电源电压，就可以减小起动电流。随着转速的上升，反电动势Ea逐渐增大，将电源电压逐步升到额定值，使电机达到额定转速。在整个起动过程中， 利用自动控制装置， 使电压连续升高， 保持转子电流为最大允许电流，从而使系统在较大的加速转矩下迅速起动。

这是一种比较理想的起动方法。 降压起动的优点是既限制了起动电流， 起动过程又平稳、 能量损耗又小。 其缺点是必须有单独的可调压直流电源， 起动设备复杂、 初期投资大，多用于要求经常起动的场合和大中型电机的起动， 实际使用的直流伺服系统多采用这种起动方法。 目前， 广泛应用的是大功率半导体器件所组成的可控整流电源， 它不仅可以用于直流电机的调速， 而且还可用于降压起动。

3. 转子回路串接电阻起动

这种起动方式是在直流电机起动时， 电枢绕组两端加额定电枢电压， 在电机的电枢回路中串入合适的起动电阻； 随着起动过程的进行， 逐渐地将串接在电枢回路中的电阻逐级切除， 直到电枢回路中的电阻只剩下电枢本身的电阻为止。 直流电机电枢串接电阻起动电路如图1－36所示。

图1－36 直流电机电枢串接电阻起动

（a） 原理图； （b） 过程分析图

为什么要将起动电阻分段切除？这是因为当电机转动起来后，产生了反电动势Ea，这时的电机起动电流应为：随着转速的不断的增加，Ea增加，Ist减小，起动转矩Tst随之减小。这样，电机的动态转矩以及加速度也就减小， 使起动过程拖长， 并且不能加速到额定转速。 最理想的情况是保持电机加速度不变， 即让电机作匀加速运动， 电机的转速随时间成正比例上升。 这就要求电机的起动转矩与起动电流在起动过程中保持不变。 要满足这个要求， 由式 （1－61） 可以看出，随着电机转速的增加， 应将起动电阻均匀平滑地切除。 起动电阻分段数目越多， 起动的加速过程越平滑。 但是为了减小控制电器的数量及设备投资， 提高工作的可靠性， 段数不宜过多， 只要将起动电流的变化保持在一定的范围内即可。

现以3级起动为例， 对直流电机的起动过程分析如下。

1） 起动过程

首先KM1、KM2、KM3三个接触器开关全部断开，r1、r2、r3全部串入电枢回路，电机从a点起动，随着起动过程的进行，电机转速沿着R1的人为机械特性曲线不断升高，当到达b点时接触器KM2闭合，切除r1，电机电枢电流增大，电磁转矩增大，机械特性由b点过渡到c点，电机的转速沿R2的人为机械特性曲线升高，当升高到d点时，接触器KM2闭合，切除r2，电机电枢电流再次增大，电磁转矩再次增大，机械特性又由d点过渡到e点，电机转速沿R3的人为机械特性曲线升高，当升高到f点时，接触器KM3闭合，切除r3，电机电枢电流继续增大， 电磁转矩继续增大， 机械特性又由f点过渡到g点， 电机转速沿固有机械特性曲线升高， 直到h点， 此时电磁转矩等于负载转矩， 电机以稳定的转速运行， 起动过程结束。

起动电流Ist1的选择，按技术标准规定，一般直流电机的起动电流应限制在额定电流的2.5倍以内。 相应的起动转矩基本上也在额定转矩的2.5倍以内， 有

Ist1＝（1.5～2.2）IN（1－62）

切换电流Ist2必须大于起动时的负载电流，或切换转矩应大于起动时的负载转矩，一般应选取为：

Ist2＝（1.1～1.3）IN（1－63）

2） 起动电阻的计算

各级起动电阻值的确定， 要求达到各级起动的起动电流和切换电流一致。 根据以上起动要求， 因为

Eb＝Ec，Ed＝Ee，Ef＝Eg

所以

R1Ist2＝R2Ist1，R2Ist2＝R3Ist1，R3Ist2＝RaIst1

即

所以

R3＝λRa，R2＝λR3＝λ2Ra，R1＝λR2＝λ3Ra

所以

r3＝R3－Ra＝（λ－1）Ra，r2＝R2－R3＝λr3，r1＝R1－R2＝λr2

起动级数m的选取应根据控制设备的要求来定， 一般不超过6级。 当起动级数为m时，各级起动电阻的计算公式为R1＝λmRa，λ＝

［例1－4］ UN＝220V，n N＝1500r／min，IN＝68.6A，Ra＝0.225Ω。现要求3级起动。

解： 设起动电流为：

Ist1＝2.2IN＝2.2×68.6＝151（A）

Ist2（A）＝81（A）＞1.1IN

r3＝（λ－1）Ra＝（1.86－1）×0.225＝0.194（Ω）

r2＝λr3＝1.86×0.1935＝0.359（Ω）

r1＝R1－R2＝λr2＝1.86×0.359＝0.669（Ω）

［例1－5］ 一台并励直流电机，PN＝10k W，UN＝220V，IN＝55A，Ra＝0.2Ω。若直接起动， 起动电流为多少？ 若采用转子回路串接电阻起动， 将起动电流降为额定值的2倍， 则应串接多大的起动电阻？

解： 直接起动时， 起动电流为

Ist＝1100A

转子回路串接电阻起动时， 起动电流为

Ist＝＝2IN

起动电阻为

Rst＝－Ra＝－0.2Ω＝1.8Ω

二、 直流电机的反转

直流电机的电磁转矩为Te＝CmΦIa，由上式可知，要使直流电机反转，只要改变电机的电磁转矩方向， 电机就可以反向运行。

改变电磁转矩的方向有两种方法： 一个是电枢绕组两端极性不变， 而将励磁绕组反接；另一个是励磁绕组极性不变而将电枢绕组反接。 如果两者同时改变， 则电磁转矩的方向不变。