第三节 直流电动机的起动、调速、制动及反转

一、直流电动机的起动

电动机的起动是指电动机接通电源，从静止状态加速到某一稳定转速的过程。根据系统运动方程式可知，要使电动机起动，必须使起动转矩T_st＞T_L，dn/dt>0。起动时，应先通励磁电流，而后加电枢电压，并且一般不能加额定电压直接起动。

如果起动时直接将额定电压U加至电枢两端，称为直接起动，起动初始时，n=0，E=0，起动电流一般电动机电枢绕组电阻R_a很小，I_st=很大，可能达到额定电流的10～20倍，换向严重恶化，冲击转矩T_st=C_TϕI_st很大，很易损坏传动机构。为此，起动时应设法限制电枢电流不超过额定电流的1.5～2倍。方法有两种：一是减压起动，二是电枢回路中串电阻起动。

1.减压起动

在起动时，降低电压，使I_st==（1.5～2）I_N，同时T_st=C_TϕI_st=（1.5～2.5）T_N＞T_L。

随着n的增加，E =C_eΦn同步增加，I_st=随之下降，此时再升高U，直至U=U_N，电动机稳定运行于n_N，如图2-13所示。

2.电枢回路中串电阻起动

根据起电动流I_ast的表达式可以看出，直流电动机限制起动电流的方法可分别采用电枢回路串电阻分级起动或电枢减压起动。而电枢回路串电阻起动，由于使用设备简单、经济而被广泛使用。

当电枢回路串入起动电阻R_st后，按I_ast≤(1.5～2.5) I_aN的要求，有

由式（2-12）可求得起动电阻R_st的大小。

电动机串电阻起动后，随着转速的上升，电枢电流逐渐减小接近于额定电流值，在此情况下可将起动电阻切除。起动电阻的切除一般分段进行，以避免切换过程中引起过大的电枢冲击电流。

二、直流电动机的调速方法

采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产需要，这种方法通常称为调速。电力拖动系统通常采用两种调速方法：一种是电动机的转速不变，通过改变机械传动机构（如齿轮、带轮等）的速比实现调速，这种方法称为机械调速；另一种方法是通过改变电动机的参数调节电动机的转速，从而调节生产机械转速的方法，称为电气调速。

调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。前者是用改变电动机参数的方法，使电力拖动系统运行于不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的需要运行速度；而后者是由于负载的变化，使电动机在同一条机械特性上发生的转速变化。

根据式（2-12）可知，调速方法有串电阻R_a调速，调电枢电压U调速、调励磁I_f调速三种。

1.调压调速

保持电动机磁通量为额定值，电枢回路不串电阻，通过降低电源电压U来调节电动机转速的方法称为调压调速。其机械特性如图2-13所示，在降压调速过程前，当电枢电压为U_N时，工作点转速为n_N。

当电压降至U₁时，n不能突变，反电动势E也不能突变，根据式（2-1）可知，电流I_a减小甚至变成负的，电动机电磁转矩T_st=C_TϕI_a小于负载转矩T_L，电动机转速减小，而E同步变小，一方面转速下降，另一方面电磁转矩提高，当与负载转矩一致时，系统得到新的平衡，转速稳定运行在n₁点。

随着电力电子技术的发展，调压调速实现起来非常方便，使用也越来越多，尤其适用于对调速性能要求较高的设备上，如轧钢机、精密机床等。

2.弱磁调速

保持电动机电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，减小电动机的励磁电流I_f，降低电动机的磁通量来调节电动机转速的方法称为弱磁调速。由于电源电压最高受限，当需要进一步提高转速时，可保持额定电压不变，减小励磁I_f，即减小了磁通量Φ，即得到机械特性如图2-14所示的弱磁调速特性。

弱磁调速的特点及应用：弱磁调速只能从基速向上调；受换向和机械强度限制，调速范围不大，静差率小，平滑性好；损耗小，控制方便；属恒功率调速。常与调压调速联合使用，以扩大调速范围。

由于弱磁调速时速度提高较大，所以使用中避免超速；另由于弱磁时电磁转矩较小，需要带动较大负载时，需要电枢电流太大，易引起设备故障，所以一般弱磁调速在低负载或空载时使用。

三、直流电动机的制动方法

电动机带动负载运行，效果如图2-15所示，逆时针的电动机电磁转矩T克服负载转矩T_L（包括空载转矩T_o和机械转矩T_m），稳定运行于转速n。逆时针的电磁转矩T和顺时针的负载转矩T为正值。根据转矩T和转速n的关系可得到n-T坐标系的机械特性曲线，即n-T坐标系的特性曲线。如图2-16所示。

在n-T坐标系的第Ⅰ、Ⅲ象限，T与n同方向，T为拖动性质转矩，克服负载转矩T_L。从能量关系看，电动机是从电网吸收电能向轴上的负载输出机械能，称为电动运行状态。

而当电动机运行在n-T坐标系的第Ⅱ、Ⅳ象限，T与n反方向，T为制动性质的阻转矩。从能量关系看，电动机是将机械能变为电能全部消耗掉或大部分回馈电网，称为制动运行状态（也称发电运行状态）。

根据T与n的正负不同组合，电动机可以有4个不同的稳态运行状态。

1.正向电动运行

电动机拖动反抗性负载时，若电磁转矩T＞0，转速n＞0，工作点在第Ⅰ象限，如图2-16中的a、b、c、f点，这种运行状态称为正向电动运行。

电动机电动运行时，电源送进电动机的电功率，除了电枢回路中的铜损耗和空载损耗外，电动机将通过电磁作用全部转换为机械功率，再从轴上输出给负载。假如负载变化增加，电动机电磁力矩小于负载力矩，电动机减速，由于速度下降，工作点从a点向b点运动的同时电磁力矩增加，当与负载一致时，拖动重新获得平衡，稳定运行在c点，同理负载较小时，电动机将加速运行到b点稳定。

2.反向电动运行

电动机反向电动运行时工作在第Ⅲ象限。电动机电枢绕组反接电源，假如负载为反抗性恒转矩T_L2时，图中j、l、f₁点是不同反向电压U₃、U₄、U₅所对应的稳定工作点，此时电动机的电磁转矩T＜0，转速n＜0，T与n仍然同方向，T仍为拖动负载转矩，其功率关系与正向电动运行时完全相同。

3.正向制动运行

如图2-16所示，n-T坐标系的第Ⅱ象限中，电磁转矩T <0，转速n＞0，由于反抗性恒负载与转向一致，所以电磁转矩与负载转矩一起作为阻力矩，使转速快速下降。假如原稳定运行于a点，现降压到U₁，由于转速不会突变，所以工作点立即从a点移到e点，并立即开始快速减速，沿U₁的特性曲线减速到第Ⅰ象限的f点再次稳定运行。从e点到f点的过程称为正向制动过程。由于此时转速从高到低，实质上电动机变成发电机了。而制动能量通过电源回给供电，所以也称回馈制动或再生制动。

假如调速过程中电压不断变化，如从U_N到U₁，稳定后再到U₂；停止运行后，再调压到U₃，则调速过程如图2-16所示从a点到e点，减速到f点，再降压后到g点并从g点减速到h点停止，再反向按电压U₃起动，直到电磁转矩与负载转矩再次平衡。

假如需要在切断电源后立即停止电动机时，常采用如图2-17所示的能耗制动控制。在控制停止时，控制接触器K向下吸合，电动机由原来外加电压U供电变成电动机内反电动势E_a对外电阻R_z供电，电动机的n-T如图2-16中的U=0、R+R_z特性曲线。假如电动机原来运行于a点，转速为n_a，动作后，外加电压U=0、回路总电阻R=R+R_z，转速从a点到d点，再沿特性曲线下降，并有转速

显然，电磁转矩始终为阻力矩，使转速持续下降。由式（2-13）可知，n＞0时，T＜0；n=0时，T=0，所以机械特性位于第Ⅱ象限，并通过原点。如果电动机拖动的是反抗性负载，由于转速为0，负载转矩为0，电磁转矩也为0，所以电动机停车，制动停车过程结束。

4.反向制动运行

在上述能耗制动过程中，如果电动机拖动的是位能性负载，到0点后，电动机将在第Ⅳ象限反向加速，直至T=T_L1时，电动机以速度n_m匀速放下重物。此时负载带动电动机旋转，电动机转向与电磁转矩相反，称为发电机，并通过电阻R_z消耗能量，所以与上述停车控制过程一起，称为能耗制动。

如图2-16所示，原稳定工作在第Ⅲ象限的f₁点，需要反向降压调速，假如电压由U₅降为U₄，则因转速不能突变，所以立即工作到d₁点，此时电磁转矩T >0，转速n<0，由于反抗性恒负载与转向一致，所以电磁转矩与负载转矩一起作为阻力矩，使转速快速下降到新的平衡点l。与第Ⅱ象限中的a点到e点，再到f点一样，该过程称为回馈或再生制动。

如果电动机采用恒电压U_N再串电阻R₁调速带位能性负载时，则工作特性为R+R₁特性曲线上，由于负载转矩一直大于电磁转矩，所以开始时，电动机从停止反向加速，一直到电磁转矩与负载转矩平衡为止，如图2-16中稳定运行于c₁点，此时由负载带动旋转，并且转向与供电方向相反，被称为倒拉反接制动。

如果电动机采用反向恒电压U_N再串电阻R₁调速反抗性负载时，假如原工作在a点，则立即转移到e₁点，并沿工作特性为-U_N串R+R₁特性曲线上，由于负载转矩一直大于电磁转矩（电磁转矩为负），所以电动机快速停止并立即反向加速，一直到电磁转矩与负载转矩平衡于j点，由于开始制动时转向与供电方向相反，所以被称为反接制动。

总结上述制动过程，可以得到：

1）能耗制动的特点及适用场合 能耗制动的设备简单、运行可靠。在制动过程中，电动机脱离电网，不需要吸收电功率，制动产生的冲击电流也不会冲击电网，比较经济、安全。常用于反抗性负载的准确停车，也可用于匀速下放重物。

2）电压反接制动的特点及适用场合 电压反接制动，平均制动转矩值较大，制动效果好。当n=0时，T≠0，若不断开电源，有可能自动反向起动。在制动过程中，系统储存的动能以及从电源吸收的电能都消耗在电枢回路中，所以能量消耗大，经济效益差，冲击电流大，适用于要求快速停车的生产机械，对于要求快速停车随后立即反向起动的生产机械更为合适。

3）回馈制动 典型稳定的回馈制动状态如图2-16中的a₁、m点，即常见的重物匀速下放，电动车下坡滑行；动态调速过程典型如从e点到f点减压调速。减压调速过程中，由于转速较高，电动机反电动势高于外加电源，电动机向电源供电，成为发电机，是在调速过程中最常见的制动。回馈制动时，n＞n₀，E_a＞U，电动机将系统减少的位能或动能转变为电能大部分回馈给电网，能量损耗小，运行经济。因为回馈制动时n＞n₀，所以不能用于快速停车，适用于高速匀速下放重物，在减压及增磁调速时可自行转入回馈制动状态运行并加快减速过程。

四、直流电动机的反转

电动机运行的4个象限中的第Ⅲ、Ⅳ象限均为电动机反向运行，从图2-16可知，在保持励磁不变的情况下，改变电枢电压反向即可实现稳定的反转，如位能性负载时可稳定在a₁、m点，此时是回馈制动状态，或反抗性负载时，可稳定在j、l、f₁点，此时为反向电动状态；或在位能性负载时，不改变电源电压方向，通过增加电枢回路电阻的方式实现倒拉反接制动也能稳定运行，如c₁点。

要改变电动机的转向，需改变电动机电磁转矩的方向。根据左手定则，电动机的转动方向决定于磁场和电枢电流两者的方向。因此，实现电动机反转的方法之一是改变励磁电流的方向，而保持电枢电流的方向不变；方法之二是改变电枢电流的方向，而保持励磁电流的方向不变。对于他励电动机，只需将励磁绕组的两引出线对调，或者将电枢绕组的两引出线对调，即可改变电动机的转向。对于并励电动机，则需要单独对调励磁绕组的两引出线或电枢绕组的两引出线才能改变转向，如两者同时对调改变，则电动机转向不变。

五、直流电动机的常规保养

直流电动机有优良的调速性能：调速范围宽，调速平滑、平稳，因此重要的拖动仍然采用直流拖动。但直流电动机存在电刷和换向器的滚动摩擦，因此电刷的更换、换向器表面的保养等是常见的保养内容。

1.绝缘检查和恢复

电刷和换向器的滚动摩擦，会使电刷长度变短，电刷变成碳粉飘散在定子腔中，附着在换向器片与片之间、电枢绕组之间的缝隙中、主磁极换向磁极表面，由于碳粉是导电的，因此会使电动机绝缘性能下降；电动机受潮、电动机内部积累灰尘等，以及定、转子之间的摩擦等都会使电动机绝缘变差。可用手摇绝缘电阻表测量电动机的绝缘，根据绝缘实际情况，需要电动机解体，用空压机压缩气体吹扫内部碳粉、灰尘；用电气清洗剂或者清煤油擦除积尘、积炭，对于有明显擦痕的端部绕组表面要上绝缘油漆；对于受潮等要对电动机定子腔进行烘干处理。最后用绝缘电阻表检查绝缘恢复情况。

2.电刷与刷架的检查

出厂电动机的刷架位置都是调好的，一般用红色油漆加以标示。检查刷杆上螺钉是否松动；电刷附件有无断裂，电刷有无脱辫现象。在修理后或者运行中，换向器表面火花过大，首先检查刷架位置是否移动，电刷是否固定在中性线上。检査刷握的高低，刷握与换向器距离应为2～4mm，校正刷握的高低位置。检查电刷在刷盒内有无卡阻现象，有无摆动现象，间隙是否正常，检查磨损程度，电刷磨损后剩原长度的1/3以下时要更换电刷，更换后的电刷和换向器表面有良好的接触，调整好电刷弹簧压力，检查电刷和换向器温度是否正常。

3.换向器的检查

换向器在负载作用下长期运行后，表面会产生一层坚硬的深褐色薄膜，这层薄膜能够保护换向器表面不受磨损，因此要保护好这层薄膜。

检查换向器表面有无齿痕、电弧灼烧痕迹，换向片表面是否氧化变黑等，如果出现，轻者用砂纸砂光，重者应上机床光车。检查换向器片与片间绝缘槽中是否有积炭、灰尘等，或者片间出现毛刺等，要做拉槽处理，做好槽口清洁。检查换向器与电枢绕组的焊头是否脱焊或氧化；检查换向器磨损的程度，当厚度减至原有厚度的20%时应更换。

4.活动部件检查

检查冷却风扇的固定是否牢靠，扇叶是否破损；检查轴承是否出现走外圈现象，轴承弹珠是否磨损过度或失圆、破损等，检查轴承内部间隙，轴向和径向窜动是否超标。若有这些问题将会造成轴承异响，需要更换。检查轴承内部润滑油脂是否干涸变质，润滑油脂是否过少或过多等。

5.电刷的更换

电刷磨损或碎裂时，应更换牌号、尺寸规格都相同的电刷，新电刷装配好后应研磨光滑，保证与换向器表面有80%左右的接触面。

特别需要注意：电刷一次性更换数量不宜过多，成批更换电刷易破坏原换向器表面的氧化膜。只需将磨短的或有问题的电刷换下即可。在同一台电动机上，绝不允许使用不同牌号的电刷，即使是同一牌号的电刷，因制造时间不同，性能也有明显差异，所以也不允许使用。

另外，更换时应注意检查刷辫的固定是否可靠，电刷振动和压力不均都容易引起各电刷的电分配不均匀。