电机及电气控制技术教案：第21讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第21讲标题：直流他励电动机的起动、反转及其控制电路（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的掌握直流电动机起动时的机械特性；掌握直流电动机起动、反转运行控制电路的工作原理。教学目标能力（技能）目标知识目标能正确分析直流电动机控制电路（起动、可逆运行）的工作原理；能正确对直流电动机控制电路（起动、可逆运行）的电气故障进行分析和判断，并排除其故障。了解直流电动机起动时的机械特性；掌握直流电动机起动、反转运行控制电路的工作原理。重点难点及解决方法重点：直流电动机起动、反转运行控制电路的工作原理。难点：同上。解决方法：逐步分析工作原理。参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）掌握直流电机的铭牌数据、电磁转矩和感应电动势的计算方法、直流电动机的机械特性及绘制方法。【步骤二】新知识讲解（时间：40分钟）直流电动机虽然不如三相交流感应电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但它具有良好的起动、制动与调速性能，容易实现直流电动机各种运行状态的自动控制。尤其是他励和并励直流电动机，在工业生产中得到了广泛的应用。由于他励和并励直流电动机的运行性能和控制电路接近，所以本节仅以他励直流电动机为例，介绍直流电动机的起动、反转和制动的基本控制电路。一、全压起动及其控制电路由电动机的工作原理可知，直流电动机电压平衡方程式与反电动势为表达式（4-4）、（4-8）知电动机在刚起动瞬间，由于n=0、Ea=0、电枢电流Ia=UN/Ra，由于电枢电阻Ra很小，所以直流电动机起动特点之一就是起动冲击电流比感应电动机更大，可达额定电流的10～20倍，这样大的起动电流将可能导致电动机换向器和电枢绕组的损坏，同时对电源也是很重的负担。大电流产生的转矩和加速度对机械部件也将产生强烈的冲击，故在选择起动方案时必须予以充分考虑，除小型直流电动机外一般不允许直接起动。图4-9是直流他励电动机的固有机械特性，全压起动时，电动机将从A点开始加速，逐渐到达平衡点B点稳定运行。直接起动时的控制电路如图4-10所示，直流接触器KM控制电动机的电枢电压。起动时，先将控制电枢回路和励磁回路的开关QS1、QS2闭合，励磁绕组有励磁电流通过，当欠电流继电器KA2达到动作值时，说明励磁已建立起来，其常开触头闭合，为电动机的起动做好了准备。按下起动按钮SB2，接触器KM线圈通电，其主触头接通电枢回路，电动机全压下起动。按下SB1时，接触器KM失电，其主触点断开电动机电枢回路，电动机自然停车。电动机过载时，过电流继电器KA1动作，其常闭触头切断KM线圈回路，达到过载保护的目的。欠电流继电器KA2起弱磁保护。二、直流他励电动机电枢串电阻起动及其控制电路直流电动机起动控制的要求与交流电动机类似，即在保证足够大的起动转矩下，应尽可能地减小起动电流。在直流电动机的电枢回路串入电阻，可以达到限制起动电流和起动转矩的目的，其人为特性如图4-11所示，理想空载点n0不变，串入的越大特性越软。电动机从点开始起动，随转速的升高，起动电流和转矩减小，系统加速能力变弱。如果至B点时切除部分起动电阻，则电动机工作点平移至C点，电动机的起动转矩进一步增强。图4-12为电枢串接二级电阻按时间原则起动控制电路。图中KM1为电源控制接触器，KM2、KM3为短接起动电阻接触器，KA1为过电流继电器，KA2为欠电流继电器，KT1、KT2为时间继电器，R1、R2为起动电阻，R3为放电电阻。起动时合上电源开关刀开关QS1和QS2。在按下起动按钮SB2以前，断电延时时间继电器KT1线圈已得电，其常闭触头KT1已断开。在电动机励磁电流正常后，KA2的常闭触头闭合，为电动机的起动做好准备。按下SB2后，KM1通电吸合，主触头闭合，使电动机M串R1和R2起动，同时KT1断电释放并开始延时。由于起动电阻R1上有压降，使KT2通电吸合，其常闭触头断开。KT1延时时间到，其延时闭合的常闭触头闭合，接通KM2的线圈回路，KM2的常开触头闭合，切除起动电阻R1，电动机进一步加速。同时KT2线圈被短接，经过一定延时，其延时闭合的常闭触头闭合，接通接触器KM3的线圈回路，KM3的常开主触头闭合，切除最后一段电阻R2，电动机再一次加速进入全电压运转，起动过程结束。过电流继电器KA1实现电动机过载保护和短路保护；欠电流继电器KA2实现电动机弱磁保护；电阻R3与二极管VD构成电动机励磁绕组断开电源时的放电回路，以免产生过电压。三、直流他励电动机可逆运转控制电路由直流电动机的电磁转矩计算公式（4-3）知直流电动机的电磁转矩由每极下的主磁通φ和电枢电流Ia决定。故改变直流电动机旋转方向的方法有两种，一是保持励磁磁场方向不变（即每极下的主磁通φ方向不变），改变电枢电流Ia的方向；二是保持电枢电流Ia的方向不变，改变励磁电流的方向，即改变每极下的主磁通φ的方向。通过改变每极下的主磁通φ的方向来改变电动机转向的方法其过程较慢，故常采用改变电枢电流Ia的方式改变直流电动机的转向。图4-13为直流电动机电枢反接法正反转控制电路。其控制原理如下：按下起动按钮SB2时，接触器KM1得电，主触头闭合，电动机电枢绕组接通电源，起动运转（设此时运转方向为正转），并由KT1、KT2、KM3、KM4控制电枢回路的电阻R1、R2。前进至压下SQ2时，KM1线圈失电，KM2线圈得电，电动机电枢绕组被反接。由于电动机本身的惯性，先进行反接制动，再反向起动。在这一过程中，KT1线圈有一短时的接通，其常闭触头断开，使KM3、KM4线圈断电，保证电枢绕组在反接的过程中串入电阻R1、R2。在此电路中，采取了两个接触器KM1、KM2的联锁控制，避免了因起动按钮SB1和SB2的误操作而不能使电动机正常工作。KM3、KM4为短接电枢电阻接触器，KA1为过电流继电器，KA2为欠电流继电器，R1、R2为起动电阻，R3为放电电阻，SQ1为反向转正向行程开关，SQ2为正向转反向行程开关。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：3分钟）直流电动机的主电路和控制电路与感应电动机相比区别很大，其主电路和控制电路都采用直流电压，分为电枢回路和励磁回路，在控制时需要同时考虑电枢回路和励磁回路。如电动机转向的改变，既可以通过改变电枢电流的方向（此时励磁电流方向不能变）实现，也可以通过改变励磁电流的方向（此时电枢电流方向不能变）实现。控制直流电动机所使用的接触器是直流接触器，与交流接触器相比也有很大的区别。直流电动机控制电路与感应电动机控制电路相