來源：電小秘

直流電機是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。

直流電機工作原理

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，電流經過左邊的換向器（也叫換向片，這個電機有左右兩個換向片）流進線圈，從線圈的右邊流出來，經過右邊的換向片和右邊的電刷流回到電源的負極，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，線圈會受到電磁力的作用，線圈的兩個邊由于電流的方向不同（左邊的電流向里流，右邊的向外流），所以兩個線圈邊受到大小相同方向相反的電磁力，這兩個電磁力剛好形成了電磁轉矩，在電磁轉矩的拉動下，線圈開始轉動了。直流電機中線圈嵌放在轉子槽中，電動機就開始轉動了。

左右換向片跟著轉軸轉動，而電刷固定不動，轉動一圈以后，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，現在處在左邊的線圈內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，這就保證了電機的循環轉動。

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

直流電機特點

1.運行效率高，由于工作在無負載的狀態下電機的阻礙力小，運行效率高，具有較穩定的性能，可以保證高效率，長期運行；

2.啟動電流很小，當轉子空轉時，磁場已經在轉子上形成，僅正常運行，無需啟動電流；

3.便于控制，它可以根據初始時的情況，采用變頻器或控制板來控制，享受恒期控制的穩定性。

直流電機優點

1.驅動功率大：直流電機可以轉動比較大的機械負載，它能提供比同容量交流電機更大的功率輸出，以及更好的耐沖擊性能；

2.工作穩定可靠：運行穩定，特別適合長期連續工作，工作效率與受潮程度無關；

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定的轉速，可以實現恒轉速控制，相比其他電機，更加穩定可靠。

直流電機缺點

1.受限的空氣冷卻：由于直流電機的拓撲結構，它的空氣冷卻能力有限，因此在工作中會產生較多的熱量，影響穩定的運行。

2.無法實現剎車輸出：由于它的拓撲構造，在運行速度快的時候，無法實現剎車輸出，會影響穩定性運行。

3.受電源影響：由于電源要求較高，停電和切換電源會影響直流電機的運行性能。

4.受磁場干擾：由于機器內部磁場變化引起的肉層面磁場漂移，會影響轉矩調速和噪聲強度。

直流電機控制原理

（1）試湊法

試湊法就是人工選擇PID參數，使控制系統響應達到預定要求，這種方法既簡單又復雜，說簡單是，如果你有經驗和運氣的話，那么在SIMULINK中，可能很快就達到了目標，說難的是，在現場實戰中，可能費了很大時間和精力來調整三個參數，也沒有完成任務。

（2）臨界比例度法

臨界比例度法就是僅在P作用下，調整比例度使系統等幅振蕩，然后根據公式算出PID值效果，左半部分是系統等幅振蕩，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，調整比例度使系統響應曲線以4:1或10:1比率衰減，然后根據公式算出PID值效果，左半部分是系統衰減曲線，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）反應曲線法

反應曲線法就是在開環狀態下，加階躍信號，然后用一階加純滯后系統逼近原系統，然后根據由Z-N或C-C公式算出PID值效果，左半部分是系統 響應曲線 ， 右半部分是控制效果。一個三階系統，臨界比例度法 求得的有關參數。下圖是通過MATLAB 仿真的PID反應曲線法控制的曲線效果。

直流電機調速的三種方法

1、調節電樞供電電壓U

改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，這種方法最好。電樞電流變化遇到的時間常數較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。

2、改變電動機主磁通φ

改變磁通可以以實現無級平滑調速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉速向上調速、屬恒功率調速方法。電樞電流變化時遇到的時間常數要大很多，響應速度較慢.但所需電源容量小。

3、改變電樞回路電阻R

在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟;在調速電阻上消耗大量電能。改變電阻調速缺點很多，目前很少采用。

電動機調速具體有以下7種方法

1.變極對數調速方法

這種調速方法是通過改變定子繞組接線方式，從而改變籠型電動機定子極對數的方法達到調速目的，其特點如下。

① 機械特性較硬，穩定性較好。

② 無轉差損耗，效率高。

③ 接線方法簡單，控制方便和價格低廉。

④ 可以實現有級調速，但級差較大，所以不能獲得平滑調速。

⑤ 可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。

變極對數調速方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、泵等。

2.變頻調速方法

變頻調速是指改變電動機工作電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統的主要設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，目前國內大都使用“交－直－交”變頻器，其特點如下。

① 在調速過程中沒有附加功率損耗，效率較高。

② 應用范圍廣，可用于籠型異步電動機。

③ 調速范圍大、機械特性硬、速度精度高。

④ 技術設計復雜，造價高，維護檢修比較困難。

變頻調速方法適用于精度要求較高、調速性能較好的場合。

3.串級調速方法

串級調速是指在繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電動勢來改變電動機的轉差，從而達到調速的目的。串入的附加電動勢吸收了電動機的大部分轉差功率，接著利用產生附加電動勢的裝置，將吸收的轉差功率進行能量轉換加以利用或返回電網。根據轉差功率吸收利用方式的不同，串級調速可分為晶閘管串級調速、機械串級調速和電動機串級調速3種，工程中多采用晶閘管串級調速。其特點如下。

① 可將調速過程中的轉差損耗回饋到生產機械或電網上，效率較高。

② 調速范圍與裝置容量成正比變化，投資少，適用于調速范圍為70%～90%額定轉速的生產機械。

③ 調速裝置發生故障時，系統可以切換至全速運行狀態，不影響生產。

④ 晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波影響較大。

串級調速方法適用于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機和擠壓機。

4.串電阻調速方法

串電阻調速方法僅適用于繞線轉子異步電動機，在電動機轉子中串入附加電阻，使其轉差率變大，從而以較低的轉速運行，串入的電阻越大，電動機的轉速就越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，屬于有級調速，機械特性較軟。

5.定子調壓調速方法

根據電動機的機械特性得知，當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得電動機在各種穩定工況下的不同轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此在電壓下降的過程中，電動機的最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，難以應用于一般的籠型電動機。為了擴大調速范圍，定子調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線轉子電動機上串聯頻敏電阻；另外，為了保證較大的穩定運行范圍，調速范圍在2∶1以上的場合應采用反饋控制，以達到自動調節轉速的目的。

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

① 優點：調壓調速線路簡單，易實現自動控制。

② 缺點：調壓過程中的轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低。

定子調壓調速一般適用于容量在100kW以下的生產機械。

6.電磁調速電動機調速方法

電磁調速異步電動機是由普通籠型異步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置3部分組成的。異步電動機作為原動機使用，當它旋轉時帶動離合器的電樞一起旋轉，電氣控制裝置提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流。電磁滑差離合器包括電樞、磁極和勵磁線圈3部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結構，它與籠型異步電動機的轉軸相連接，俗稱主動部分；磁極做成爪形結構，裝在負載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分無任何機械聯系。當勵磁線圈通過電流時產生磁場，爪形結構便形成很多對磁極。此時若電樞被籠型異步電動機拖著旋轉，由于電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恒低于電樞的轉速，這是一種轉差調速方式，改變轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。電磁調速電動機的調速特點如下。

① 裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便。

② 調速平滑，可以實現無級調速。

③ 對電網無諧波影響。

④ 速度失真大，并且效率較低。

電磁調速電動機調速方法適用于中小功率，要求平滑啟動、低速運行的生產機械。

7.液力耦合器調速方法

液力耦合器是一種液力傳動裝置，又稱為液力聯軸器，主要包括殼體、泵輪和渦輪3個部分。其中泵輪和渦輪統稱為工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當泵輪在原動機帶動下旋轉時，泵輪葉片推動其中的液壓油旋轉，在離心力作用下，液壓油沿著泵輪外環進入渦輪，在同一轉向上對渦輪葉片施以力矩作用，使其帶動生產機械運轉。液力耦合器的動力傳輸能力與殼內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，渦輪的轉速隨之加大，從而達到調節轉速的目的。在工程實踐中，只要改變充液率，就可以改變耦合器的渦輪轉速，做到無級調速。其特點如下。

① 功率適應范圍大，可滿足從幾十千瓦至數兆瓦不同功率的需要。

② 結構簡單，沒有電氣連接，工作可靠，對環境要求不高，維修方便，造價低。

③ 尺寸小，能量容積變化范圍比較大。

④ 控制調節方便，容易實現自動控制。

⑤ 靠油量和負荷的拉動調速，調速精度低，當負荷變化時，轉速隨之變化。

審核編輯：湯梓紅