直流电动机的起动及性能分析

直流电动机的起动及性能分析

直流电动机就是依靠直流电驱动的将直流电能转换成机械能的电机。在这里，我们简单的讨论一下它的起动特点与性能。

与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由对电磁力及转矩分析可以看出：任何一台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。

直流电动机有两大优点:一、调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。二、起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV 象限为制动运行状态。

首先，直流电动机为什么要限制启动电流？不论是交流电机还是直流电机,其启动电流都会比正常运行的时候要大.因为电机启动时,要使电机从静止状态变为转动状态,就如同把静止物体从静止推动起来匀速运动一样,静止摩擦远大于滑动摩擦.因为在启动瞬间电机还没有转，没有自感反电动势 ,且当时磁场刚刚运作,磁性最强，在启动的时候，由于T=Tn，Ea=CeΦn=0，此时的电枢电流Ia=Us/Ra=Is，由于Ra本身很小，Is和Ts都比启动电流大很多,所以此时,通电线圈在磁场中做切割磁感线运动最剧烈,所以电流最大.因为电枢电阻Ra很小，所以直接启动时启动电流很大，通常可达到额定电流的10到20倍。过大的启动电流会使电网电压下降过多,影响本电网上其他用户的正常用电；使电动机的换向恶化，甚至烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除容量很小的电动机

以外，一般不允许直接启动。其次，对直流电动机启动时有什么基本要求呢？第一，要有足够大的启动转矩（即转速为零时的电磁转矩），使电动机在负载状态下能够顺利启动，并且启动过程所需的时间应尽量缩短；第二，启动电流要尽量小，应限制在换向允许的最大电流以内，保证换向良好。为保证有足够大的启动转矩及启动时转速不过高，应使磁通为额定值，且励磁回路绝对不允许短路。第三、要求启动设备简单可靠，经济实用。最后，我们应该如何限制启动电流呢？他励直流电动机通常采用直接启动、电枢回路串入电阻启动以及降低电枢电压启动的方式。

一、直接起动直接启动就是将电动机直接接入到额定电压的电源上启动。由于电动机所加的是额定电源，而电动机开始接通电源瞬间电枢不动，电枢反电动势E为零，所以启动时电流很大。启动时电动机最大电流为正因为电动机启动电流很大，所以启动转矩大，电动机启动迅速，启动时间短。不过，电动机一旦开始运转，电枢绕组就有感应电动势产生，且转数越高，电枢反电动势就越大。随着电动机转数上升，电流迅速下降，电磁转矩也随之下降。当电动机电磁转矩与负载阻力转矩相平衡时，电动机的启动过程结束而进人稳定运行状态。直接合闸起动的优点是不需其他设备，操作简便；缺点是启动电流大。它只适用于小型电动机，如家用电器中的直流电机。

二、电枢回路串入电阻启动时在电枢回路中串入电阻来限制启动电流。专门用来启动步进电动机的电阻叫启动电阻器（又称启动器）。启动器实际上是一个多级电阻，启动时，将启动电阻全部串入，当转速上升时，再将电阻分级逐步切除，直到步进电动机的转速上升到稳定值，启动过程结束。这种方法起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。由于变阻器比较笨重，起动过程中能量消耗大，不适于经常起动的电机和中、大型直流电机。

三、降低电枢电压降电压启动就是在启动时通过暂时降低电动机供电电压的办法来限制启动电流，当然降压启动要有一套可变电压的直流电源，这种方法启动电流小，启动平稳，能耗少。适用于精密操作，电阻小，或对能耗的控制要求严格但对设备结构和操作便利度要求不高，只适合于大功率直流电机。