直流電機(jī)的工作原理和調(diào)速方法

來源：電小秘

直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。

直流電機(jī)工作原理

直流電源電流順著電源正極流到了左邊的電刷上面，電刷和換向器相互摩擦，電流經(jīng)過左邊的換向器（也叫換向片，這個(gè)電機(jī)有左右兩個(gè)換向片）流進(jìn)線圈，從線圈的右邊流出來，經(jīng)過右邊的換向片和右邊的電刷流回到電源的負(fù)極，形成了閉合回路。

由于線圈處在主磁極（圖中的N和S）的磁場中，線圈會(huì)受到電磁力的作用，線圈的兩個(gè)邊由于電流的方向不同（左邊的電流向里流，右邊的向外流），所以兩個(gè)線圈邊受到大小相同方向相反的電磁力，這兩個(gè)電磁力剛好形成了電磁轉(zhuǎn)矩，在電磁轉(zhuǎn)矩的拉動(dòng)下，線圈開始轉(zhuǎn)動(dòng)了。直流電機(jī)中線圈嵌放在轉(zhuǎn)子槽中，電動(dòng)機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng)了。

左右換向片跟著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而電刷固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈以后，右邊的線圈到了左邊，左邊的線圈到了右邊，但是由于換向片的存在，現(xiàn)在處在左邊的線圈內(nèi)的電流方向和原來處在左邊的線圈變的電流的方向一樣流向里，所以受到的電磁力方向不變，右邊也一樣。所以從空間上看，在相同位置的線圈邊受的電磁力方向是一直不變的，這就保證了電機(jī)的循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

但是一個(gè)線圈，由于這個(gè)線圈轉(zhuǎn)到不同位置時(shí)磁場是不相同的，導(dǎo)致了線圈所受的電磁力也一直在變，所以線圈轉(zhuǎn)起來不穩(wěn)定，忽快忽慢。所以可以通過多安裝幾個(gè)線圈來保證線圈受力均勻和穩(wěn)定。

直流電機(jī)特點(diǎn)

1.運(yùn)行效率高，由于工作在無負(fù)載的狀態(tài)下電機(jī)的阻礙力小，運(yùn)行效率高，具有較穩(wěn)定的性能，可以保證高效率，長期運(yùn)行；

2.啟動(dòng)電流很小，當(dāng)轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)時(shí)，磁場已經(jīng)在轉(zhuǎn)子上形成，僅正常運(yùn)行，無需啟動(dòng)電流；

3.便于控制，它可以根據(jù)初始時(shí)的情況，采用變頻器或控制板來控制，享受恒期控制的穩(wěn)定性。

直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1.驅(qū)動(dòng)功率大：直流電機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)比較大的機(jī)械負(fù)載，它能提供比同容量交流電機(jī)更大的功率輸出，以及更好的耐沖擊性能；

2.工作穩(wěn)定可靠：運(yùn)行穩(wěn)定，特別適合長期連續(xù)工作，工作效率與受潮程度無關(guān)；

3.控制可控：可以用控制變頻器、控制板、滑移器等各種電路來控制穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制，相比其他電機(jī)，更加穩(wěn)定可靠。

直流電機(jī)缺點(diǎn)

1.受限的空氣冷卻：由于直流電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的空氣冷卻能力有限，因此在工作中會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，影響穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.無法實(shí)現(xiàn)剎車輸出：由于它的拓?fù)錁?gòu)造，在運(yùn)行速度快的時(shí)候，無法實(shí)現(xiàn)剎車輸出，會(huì)影響穩(wěn)定性運(yùn)行。

3.受電源影響：由于電源要求較高，停電和切換電源會(huì)影響直流電機(jī)的運(yùn)行性能。

4.受磁場干擾：由于機(jī)器內(nèi)部磁場變化引起的肉層面磁場漂移，會(huì)影響轉(zhuǎn)矩調(diào)速和噪聲強(qiáng)度。

直流電機(jī)控制原理

（1）試湊法

試湊法就是人工選擇PID參數(shù)，使控制系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到預(yù)定要求，這種方法既簡單又復(fù)雜，說簡單是，如果你有經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)氣的話，那么在SIMULINK中，可能很快就達(dá)到了目標(biāo)，說難的是，在現(xiàn)場實(shí)戰(zhàn)中，可能費(fèi)了很大時(shí)間和精力來調(diào)整三個(gè)參數(shù)，也沒有完成任務(wù)。

（2）臨界比例度法

臨界比例度法就是僅在P作用下，調(diào)整比例度使系統(tǒng)等幅振蕩，然后根據(jù)公式算出PID值效果，左半部分是系統(tǒng)等幅振蕩，右半部分是控制效果。通過MATLAB 仿真的PID臨界比例度法控制的曲線效果。

（3）衰減曲線法

衰減曲線法 就是僅在P作用下，調(diào)整比例度使系統(tǒng)響應(yīng)曲線以4:1或10:1比率衰減，然后根據(jù)公式算出PID值效果，左半部分是系統(tǒng)衰減曲線，右半部分是控制效果。通過MATLAB 仿真的PID衰減曲線法控制的曲線效果。

（4）反應(yīng)曲線法

反應(yīng)曲線法就是在開環(huán)狀態(tài)下，加階躍信號，然后用一階加純滯后系統(tǒng)逼近原系統(tǒng)，然后根據(jù)由Z-N或C-C公式算出PID值效果，左半部分是系統(tǒng) 響應(yīng)曲線 ， 右半部分是控制效果。一個(gè)三階系統(tǒng)，臨界比例度法 求得的有關(guān)參數(shù)。下圖是通過MATLAB 仿真的PID反應(yīng)曲線法控制的曲線效果。

直流電機(jī)調(diào)速的三種方法

1、調(diào)節(jié)電樞供電電壓U

改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。電樞電流變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。

2、改變電動(dòng)機(jī)主磁通φ

改變磁通可以以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速、屬恒功率調(diào)速方法。電樞電流變化時(shí)遇到的時(shí)間常數(shù)要大很多，響應(yīng)速度較慢.但所需電源容量小。

3、改變電樞回路電阻R

在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟;在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用。

電動(dòng)機(jī)調(diào)速具體有以下7種方法

1.變極對數(shù)調(diào)速方法

這種調(diào)速方法是通過改變定子繞組接線方式，從而改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對數(shù)的方法達(dá)到調(diào)速目的，其特點(diǎn)如下。

① 機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。

② 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。

③ 接線方法簡單，控制方便和價(jià)格低廉。

④ 可以實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，但級差較大，所以不能獲得平滑調(diào)速。

⑤ 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。

變極對數(shù)調(diào)速方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、泵等。

2.變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是指改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成“交－直－交”變頻器和“交－交”變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用“交－直－交”變頻器，其特點(diǎn)如下。

① 在調(diào)速過程中沒有附加功率損耗，效率較高。

② 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。

③ 調(diào)速范圍大、機(jī)械特性硬、速度精度高。

④ 技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修比較困難。

變頻調(diào)速方法適用于精度要求較高、調(diào)速性能較好的場合。

3.串級調(diào)速方法

串級調(diào)速是指在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電動(dòng)勢來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，從而達(dá)到調(diào)速的目的。串入的附加電動(dòng)勢吸收了電動(dòng)機(jī)的大部分轉(zhuǎn)差功率，接著利用產(chǎn)生附加電動(dòng)勢的裝置，將吸收的轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換加以利用或返回電網(wǎng)。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式的不同，串級調(diào)速可分為晶閘管串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速和電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速3種，工程中多采用晶閘管串級調(diào)速。其特點(diǎn)如下。

① 可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到生產(chǎn)機(jī)械或電網(wǎng)上，效率較高。

② 調(diào)速范圍與裝置容量成正比變化，投資少，適用于調(diào)速范圍為70%～90%額定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)械。

③ 調(diào)速裝置發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以切換至全速運(yùn)行狀態(tài)，不影響生產(chǎn)。

④ 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。

串級調(diào)速方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)和擠壓機(jī)。

4.串電阻調(diào)速方法

串電阻調(diào)速方法僅適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中串入附加電阻，使其轉(zhuǎn)差率變大，從而以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬于有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。

5.定子調(diào)壓調(diào)速方法

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性得知，當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得電動(dòng)機(jī)在各種穩(wěn)定工況下的不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此在電壓下降的過程中，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，難以應(yīng)用于一般的籠型電動(dòng)機(jī)。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，定子調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻；另外，為了保證較大的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，調(diào)速范圍在2∶1以上的場合應(yīng)采用反饋控制，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

定子調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式包括自耦變壓器、串聯(lián)飽和電抗器和晶閘管調(diào)壓等，其中晶閘管調(diào)壓方式效果最佳。定子調(diào)壓調(diào)速方法的特點(diǎn)如下。

① 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

② 缺點(diǎn)：調(diào)壓過程中的轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。

定子調(diào)壓調(diào)速一般適用于容量在100kW以下的生產(chǎn)機(jī)械。

6.電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法

電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是由普通籠型異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置3部分組成的。異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置提供滑差離合器勵(lì)磁線圈勵(lì)磁電流。電磁滑差離合器包括電樞、磁極和勵(lì)磁線圈3部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，它與籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，俗稱主動(dòng)部分；磁極做成爪形結(jié)構(gòu)，裝在負(fù)載軸上，俗稱從動(dòng)部分。主動(dòng)部分和從動(dòng)部分無任何機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)勵(lì)磁線圈通過電流時(shí)產(chǎn)生磁場，爪形結(jié)構(gòu)便形成很多對磁極。此時(shí)若電樞被籠型異步電動(dòng)機(jī)拖著旋轉(zhuǎn)，由于電樞與磁極間相對運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，改變轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)如下。

① 裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便。

② 調(diào)速平滑，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

③ 對電網(wǎng)無諧波影響。

④ 速度失真大，并且效率較低。

電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法適用于中小功率，要求平滑啟動(dòng)、低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。

7.液力耦合器調(diào)速方法

液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，又稱為液力聯(lián)軸器，主要包括殼體、泵輪和渦輪3個(gè)部分。其中泵輪和渦輪統(tǒng)稱為工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵輪葉片推動(dòng)其中的液壓油旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，液壓油沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪，在同一轉(zhuǎn)向上對渦輪葉片施以力矩作用，使其帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。液力耦合器的動(dòng)力傳輸能力與殼內(nèi)相對充液量的多少成正比，隨著液壓油量的增加，輸出力矩加大，渦輪的轉(zhuǎn)速隨之加大，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。在工程實(shí)踐中，只要改變充液率，就可以改變耦合器的渦輪轉(zhuǎn)速，做到無級調(diào)速。其特點(diǎn)如下。

① 功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)兆瓦不同功率的需要。

② 結(jié)構(gòu)簡單，沒有電氣連接，工作可靠，對環(huán)境要求不高，維修方便，造價(jià)低。

③ 尺寸小，能量容積變化范圍比較大。

④ 控制調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

⑤ 靠油量和負(fù)荷的拉動(dòng)調(diào)速，調(diào)速精度低，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之變化。

審核編輯：湯梓紅