直流电动机的起动与调速

直流电动机的使用主要包括起动、调速、反转和制动等。这里首先讨论直流电动机的电磁特性，然后以并励直流电动机为例讨论其起动和调速情况。

1、直流电动机的电磁特性

直流电动机的电枢绕组电流I_a与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩。电磁转矩T的大小为：

T=K_T×Φ×I_a

式中：K_T－与电机结构有关的常数；Φ－磁极磁通量，单位是韦伯（Wb）；I_a－电枢电流，单位是安（A）；T－电磁转矩。

在这个电磁转矩T作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生电动势E。

E=K_E×Φ×·n

式中：Φ－磁极磁通量，单位韦伯（Wb）；n－电枢转速，单位是r/min；K_E－与电机结构有关的常数；E－感生电动势，单位是伏特（V）。

显然这个电动势E是一反电动势，故加在电枢绕组的端电压分为两部分：其一是用来平衡反电动势；其二为电枢绕组的电压降，如图1所示。

图1 直流电动机的电枢

因此直流电动机电枢的电压平衡方程式为：

U=E+I_aR_a

式中：U－电枢外加电源电压；R_a，I_a－电枢绕组的电阻和电流。

电动机的电磁转矩是驱动转矩。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载矩及空载损耗转矩相平衡。当轴上的机械负载转矩发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。例如，当负载增加时，电动机的电磁转矩便暂时小于阻转矩，所以转速下降。当磁通Φ不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流I_a将增加，于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩达到新的平衡后转速不再下降，而电动机则以较原先更低的转速运行。在电源电压U和励磁电路的电阻Rf不变的情况下，电动机的转速n与转矩T的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。

由上面讨论的电磁关系可知：

n=E/K_EΦ=（U-I_aR_a）/K_EΦ=U/K_EΦ-R_a/K_TK_EΦ·T=n₀-△n

在上式中，n₀＝E/K_EΦ，是T＝0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电动机轴上没有加机械负载，电动机的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以n₀称为理想空载转速。

式中的△n＝R_a/K_TK_EΦ·T是转速降。它表示：当负载增加时，电动机的转速下降。转速降是电枢电阻R_a引起的。当负载增加时，I_a增大，I_aR_a增大，由于电源电压U是一定的，这就使反电动势E减小，也就是转速n降低了。

并励电动机的机械特性曲线如图2所示。由于R_a很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此并励电动机具有硬的机械特性。

图2 并励电动机的机械特性曲线

2、并励电动机的起动

电动机接通电源，转子从静止状态开始转动起来最后达到稳定运行。由静止状态到稳定状态这段过程称为起动过程。

并励电动机在稳定运行时，其电枢电流为：

I_a＝（U－E）/R_a

因为电枢电阻Ra很小，所以电源电压U和反电动势E极为接近。

在电动机起动的初始瞬间，n=0，E=K_E×Φ·n=0。这时的电枢电流为：I_ast=U/R_a

由于R_a很小，起动电流将达到额定电流的10－20倍，这是不允许的。因为并励电动机的转矩正比电枢电流，所以它的起动转矩也太大，会产生机械冲击，使传动机械（例如齿轮）遭受损坏，因此，必须限制起动电流。限制起动电流的方法是起动时在电枢电路中串接起动电阻R_st（图3）。这时电枢中的起动电流初始值为：

I_ast=U/（R_a+R_st）

而起动电阻则可由上式确定，即：R_st＝R/I_ast－R_a

图3 电枢电路串入电阻起动

一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5－2.5倍。起动时，应将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，将它逐段切除。起动电阻是按短期使用设计的，不能长期接在电枢电路中。

例如1 Z2－61型并励电动机，P_n=10kW,U=220V,I_n=53.8A,n_n=1500r/min,R_a=0.3Ω,最大励磁功率P_fm=260W。试求（1）直接起动时起动电流为额定电枢电流的几倍；（2）起动电限制在额定电枢电流2倍时的起动电阻值。

解：

起动时励磁电流为最大值：

I_fm=P_fm/U=260/220=1.18(A)

电枢额定电流：

I_an=I_n-I_fm=53.8-1.18=52.6(A)

直接起动时起动电流为：

I_s=U/R_a=220/0.3=733(A)

起动电流为额定电枢电流的倍数＝I_s/I_an=733/52.6=13.9

若将起动电流限制为额定电枢电流的2倍，即：

U/（R_a+R_s）=2I_an

则起动电阻值为：

R_s=U/2I_an-R_a=220/2×52.6-0.3=1.79(Ω)

这种电阻起动法广泛应用于小型直流电动机，较大容量和经常起动的电动机常采用降压起动去，依靠降低电动机端电压来限制起动电流。降压起动需要一套调压供电装置作为电动机电源，常用于他励电动机，只降低电枢两端电压，励磁电压保持不变。

需注意的是，直流电动机在起动或工作时，励磁电路必须保持接通装态，不能让它断开（起动时要满励磁）。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，可能发生下述事故。

（1）如果电动机是静止的，因转矩太小(T=KTΦIa)，不能起动；由于反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。

（2）如果电动机在有载运行时断开励磁电路，电动势立即减小而使电枢电流增大；同时由于所产生的转矩不能满足负载需要，电动机必将减速而停车，更加促使电枢电流的增大，以致烧毁电枢和换向器。

（3）如果电动机空载运行，它的转速可能上升到很高的值（这种事故叫“飞车”），使电机遭受严重的机械损伤，而且还会因电枢电流过大将绕组烧毁。

3、直流电动机的调速

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。

由直流电动机的转速公式：

n=（U-I_aR_a）/K_EΦ

可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

（1）调磁法

即改变磁通量Φ。当保持电源电压U为额定值时，调节R_f，改变励磁电流I_f以改变磁通量，如图4所示。由于

n=U/K_EΦ-R_a/K_TK_EΦ·T

可知磁通Φ减少时，n₀升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图5所示。在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞n_n）。

图4 改变电动机磁通调速

图5 改变磁通量Φ时的机械特性曲线

调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=K_E·Φ·n就减小，I_a随之增加。由于I_a增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=K_TΦI_a也就增加。如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，I_a和T也着减小，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。

必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流I_a为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=K_TΦI_a，故减小磁通量Φ后I_a必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。

这种调速方法有3个优点：

• 调速平滑，可无级调速；

• 调速经济，控制方便；

• 机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

例如2 有一并励电动机，已知U=110V，E=90V，R_a=20Ω，I_a=1A，n=300r/min，为了提高转速，调节励磁电阻R_f增加，使磁通Φ减小10％，如负载转矩不变，问转速如何变化？

解：令Φ减小10%，即Φ′=0.9Φ，所以电流必须增大到I_a′，以维持转矩不变，即：

K_T·Φ′·I_a′=K_T·Φ·I_a

I_a′=ΦI_a/Φ′=1/0.9=1.11(A)

磁通减小后的转速n′对原来的转速n之比为：

n′/n=(E′/K_EΦ′)/(E/K_EΦ)=E′Φ/EΦ′=(U-Ia′R_a)Φ/(U-I_aR_a)Φ′=(110-1.11×20)×1/(110-1×20)×0.9=1.08

即转速增加了8%。

（2）调压法

即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流I_f为额定值时，降低电枢电压U，则由

n=U/K_T·Φ-Ra/K_E·K_T·Φ₂·T

可见，n₀变低了，但△n未改变。因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调(n_n)。

调速的过程是：当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流I_a减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小，I_a和T增大，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。

由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。

这种调速方法有下列优点：

• 机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；

• 调速幅度大；

• 可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。

例如3 有一他励电动机，已知：U=220V,I=53.8A，n=1500r/min，R_a=0.7Ω，今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？设励磁电流保持不变。

解：由T=K_T·Φ·I_a可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比

n′/n=(E′/K_E·Φ)/(E/K_E·Φ)=E′/E=(U-I_a·R_a)/U-I_a·R_a)=(110-53.8×0.7)/(220-53.8×0.7)=0.4

即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的40%。