2.4 他勵直流電動機的起動和反轉

電動機的起動是指電動機接通電源后，使之從靜止狀態開始旋轉直至穩定運行。電動機在起動瞬間的轉矩稱為起動轉矩，起動瞬間的電樞電流稱為起動電流，分別用T_st和I_st表示。

如果他勵直流電動機在額定電壓下直接起動，由于起動瞬間的轉速n=0，電樞電動勢E_a=0，所以起動電流為

由于電樞回路電阻R_a很小，所以直接起動時電樞電流很大，可達額定電流的10～20倍。這么大的起動電流將使換向電路的情況惡化，出現強烈火花甚至環火，并使電樞繞組產生很大的電磁力而損壞繞組；過大的起動電流又引起供電電網的電壓波動，影響接于同一電網上的其他電氣設備的正常工作；如果起動時為額定勵磁，則此時的電磁轉矩也達到額定轉矩的10～20倍，過大的轉矩沖擊也會損壞拖動系統的傳動機構。因此，除個別小容量電動機之外，一般直流電動機是不允許直接起動的。為此，在起動時必須限制起動電流，一般要求起動瞬間的電樞電流不超過額定電流的1.5～10倍。

為了限制起動電流，他勵直流電動機的起動通常采用電樞回路串電阻或降低電壓起動。無論哪種方法，起動時都應保證電動機的磁通達到最大值，這是因為在同樣的電流下，磁通越大，起動轉矩越大；而在同樣轉矩的條件下，磁通大，起動電流則可以小些。

2.4.1 電樞回路串電阻起動

串電阻起動時，需在電樞回路中串接多級起動電阻，并在起動過程中逐級切除。起動電阻的級數越多，起動過程就越快、越平穩，但所需的控制設備越復雜，所以一般起動電阻分為2～5級。圖2-24所示為一個3級起動電阻電路圖。起動時先合上接觸器KM_f，保證勵磁電路先接通；繼而合上接觸器KM_a，電動機開始起動；隨著轉速上升，依次合上KM₁、KM₂，KM₃，以逐次切除起動電阻R_st1、R_st2和R_st3，使電動機達到穩定轉速。

為了限制起動電流在一定的范圍，必須保證起動過程中每次沖擊電流都不超過電動機容許的最大電流I_st·_max，一般為（1.8～2.5）I_N。

下面以圖2-24的三級起動方法為例來討論應該如何選擇起動電阻大小和切換級數。圖2-25是與圖2-24對應的起動特性曲線圖。

起動時，電動機首先沿著R₁=R_a+R_st1+R_st2+R_st3的機械特性從a點升到A點。到達A點時，使觸頭KM₁接通，電阻R_st1被短接，電動機的運行點躍變到B點，沿R₂=R_a+R_st2+R_st3的特性升速。當到達C點時，觸頭KM₂閉合，R_st2被短接，電樞總電阻為R₃=R_a+R_st3，電動機通過D點向E點升速。到達E點時，觸頭KM₃閉合，R_st3被短接，電樞電路只有電樞電阻R_a，這時電動機沿著固有機械特性從F點上升，當T_em=T_L時，電動機在W點穩定運行。

2.4.2 減壓起動

當直流電源電壓可調時，可采用減壓方法起動。起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而成正比地減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的數值上，可按需實現電動機轉速按一定加速度上升。其接線原理和起動工作特性如圖2-26所示。

減壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。

2.4.3 他勵直流電動機的反轉

要使電動機反轉，必須改變電磁轉矩的方向，而電磁轉矩的方向由磁通方向和電樞電流的方向決定。所以，只要將磁通或電樞電流任意一個參數改變方向，電磁轉矩即可改變方向，實現電動機的反轉。具體做法是：將勵磁繞組接到電源的兩端對調，或者將電樞繞組接到電源的兩端對調。需要注意的是由于他勵直流電動機的勵磁繞組匝數多、電感大，勵磁電流從正向額定值到反向額定值的時間長，反向過程緩慢，而且在勵磁繞組反接斷開瞬間，繞組中將產生很大的自感電動勢，可能造成絕緣擊穿，所以實際應用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實現電動機的反轉。但在電動機容量很大、對反轉速度變化要求不高的場合，為了減小控制電器的容量，可釆用改變勵磁繞組極性的方法實現電動機的反轉。