直流电机的工作原理和调速方法

来源：电小秘

直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

直流电机工作原理

直流电源电流顺着电源正极流到了左边的电刷上面，电刷和换向器相互摩擦，电流经过左边的换向器（也叫换向片，这个电机有左右两个换向片）流进线圈，从线圈的右边流出来，经过右边的换向片和右边的电刷流回到电源的负极，形成了闭合回路。

由于线圈处在主磁极（图中的N和S）的磁场中，线圈会受到电磁力的作用，线圈的两个边由于电流的方向不同（左边的电流向里流，右边的向外流），所以两个线圈边受到大小相同方向相反的电磁力，这两个电磁力刚好形成了电磁转矩，在电磁转矩的拉动下，线圈开始转动了。直流电机中线圈嵌放在转子槽中，电动机就开始转动了。

左右换向片跟着转轴转动，而电刷固定不动，转动一圈以后，右边的线圈到了左边，左边的线圈到了右边，但是由于换向片的存在，现在处在左边的线圈内的电流方向和原来处在左边的线圈变的电流的方向一样流向里，所以受到的电磁力方向不变，右边也一样。所以从空间上看，在相同位置的线圈边受的电磁力方向是一直不变的，这就保证了电机的循环转动。

但是一个线圈，由于这个线圈转到不同位置时磁场是不相同的，导致了线圈所受的电磁力也一直在变，所以线圈转起来不稳定，忽快忽慢。所以可以通过多安装几个线圈来保证线圈受力均匀和稳定。

直流电机特点

1.运行效率高，由于工作在无负载的状态下电机的阻碍力小，运行效率高，具有较稳定的性能，可以保证高效率，长期运行；

2.启动电流很小，当转子空转时，磁场已经在转子上形成，仅正常运行，无需启动电流；

3.便于控制，它可以根据初始时的情况，采用变频器或控制板来控制，享受恒期控制的稳定性。

直流电机优点

1.驱动功率大：直流电机可以转动比较大的机械负载，它能提供比同容量交流电机更大的功率输出，以及更好的耐冲击性能；

2.工作稳定可靠：运行稳定，特别适合长期连续工作，工作效率与受潮程度无关；

3.控制可控：可以用控制变频器、控制板、滑移器等各种电路来控制稳定的转速，可以实现恒转速控制，相比其他电机，更加稳定可靠。

直流电机缺点

1.受限的空气冷却：由于直流电机的拓扑结构，它的空气冷却能力有限，因此在工作中会产生较多的热量，影响稳定的运行。

2.无法实现刹车输出：由于它的拓扑构造，在运行速度快的时候，无法实现刹车输出，会影响稳定性运行。

3.受电源影响：由于电源要求较高，停电和切换电源会影响直流电机的运行性能。

4.受磁场干扰：由于机器内部磁场变化引起的肉层面磁场漂移，会影响转矩调速和噪声强度。

直流电机控制原理

（1）试凑法

试凑法就是人工选择PID参数，使控制系统响应达到预定要求，这种方法既简单又复杂，说简单是，如果你有经验和运气的话，那么在SIMULINK中，可能很快就达到了目标，说难的是，在现场实战中，可能费了很大时间和精力来调整三个参数，也没有完成任务。

（2）临界比例度法

临界比例度法就是仅在P作用下，调整比例度使系统等幅振荡，然后根据公式算出PID值效果，左半部分是系统等幅振荡，右半部分是控制效果。通过MATLAB 仿真的PID临界比例度法控制的曲线效果。

（3）衰减曲线法

衰减曲线法 就是仅在P作用下，调整比例度使系统响应曲线以4:1或10:1比率衰减，然后根据公式算出PID值效果，左半部分是系统衰减曲线，右半部分是控制效果。通过MATLAB 仿真的PID衰减曲线法控制的曲线效果。

（4）反应曲线法

反应曲线法就是在开环状态下，加阶跃信号，然后用一阶加纯滞后系统逼近原系统，然后根据由Z-N或C-C公式算出PID值效果，左半部分是系统 响应曲线 ， 右半部分是控制效果。一个三阶系统，临界比例度法 求得的有关参数。下图是通过MATLAB 仿真的PID反应曲线法控制的曲线效果。

直流电机调速的三种方法

1、调节电枢供电电压U

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。电枢电流变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

2、改变电动机主磁通φ

改变磁通可以以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢电流变化时遇到的时间常数要大很多，响应速度较慢.但所需电源容量小。

3、改变电枢回路电阻R

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软;在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。

电动机调速具体有以下7种方法

1.变极对数调速方法

这种调速方法是通过改变定子绕组接线方式，从而改变笼型电动机定子极对数的方法达到调速目的，其特点如下。

① 机械特性较硬，稳定性较好。

② 无转差损耗，效率高。

③ 接线方法简单，控制方便和价格低廉。

④ 可以实现有级调速，但级差较大，所以不能获得平滑调速。

⑤ 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

变极对数调速方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、泵等。

2.变频调速方法

变频调速是指改变电动机工作电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成“交－直－交”变频器和“交－交”变频器两大类，目前国内大都使用“交－直－交”变频器，其特点如下。

① 在调速过程中没有附加功率损耗，效率较高。

② 应用范围广，可用于笼型异步电动机。

③ 调速范围大、机械特性硬、速度精度高。

④ 技术设计复杂，造价高，维护检修比较困难。

变频调速方法适用于精度要求较高、调速性能较好的场合。

3.串级调速方法

串级调速是指在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电动势来改变电动机的转差，从而达到调速的目的。串入的附加电动势吸收了电动机的大部分转差功率，接着利用产生附加电动势的装置，将吸收的转差功率进行能量转换加以利用或返回电网。根据转差功率吸收利用方式的不同，串级调速可分为晶闸管串级调速、机械串级调速和电动机串级调速3种，工程中多采用晶闸管串级调速。其特点如下。

① 可将调速过程中的转差损耗回馈到生产机械或电网上，效率较高。

② 调速范围与装置容量成正比变化，投资少，适用于调速范围为70%～90%额定转速的生产机械。

③ 调速装置发生故障时，系统可以切换至全速运行状态，不影响生产。

④ 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

串级调速方法适用于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机和挤压机。

4.串电阻调速方法

串电阻调速方法仅适用于绕线转子异步电动机，在电动机转子中串入附加电阻，使其转差率变大，从而以较低的转速运行，串入的电阻越大，电动机的转速就越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属于有级调速，机械特性较软。

5.定子调压调速方法

根据电动机的机械特性得知，当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得电动机在各种稳定工况下的不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此在电压下降的过程中，电动机的最大转矩下降很多，其调速范围较小，难以应用于一般的笼型电动机。为了扩大调速范围，定子调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线转子电动机上串联频敏电阻；另外，为了保证较大的稳定运行范围，调速范围在2∶1以上的场合应采用反馈控制，以达到自动调节转速的目的。

定子调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式包括自耦变压器、串联饱和电抗器和晶闸管调压等，其中晶闸管调压方式效果最佳。定子调压调速方法的特点如下。

① 优点：调压调速线路简单，易实现自动控制。

② 缺点：调压过程中的转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

定子调压调速一般适用于容量在100kW以下的生产机械。

6.电磁调速电动机调速方法

电磁调速异步电动机是由普通笼型异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置3部分组成的。异步电动机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置提供滑差离合器励磁线圈励磁电流。电磁滑差离合器包括电枢、磁极和励磁线圈3部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与笼型异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分无任何机械联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被笼型异步电动机拖着旋转，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速，这是一种转差调速方式，改变转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点如下。

① 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便。

② 调速平滑，可以实现无级调速。

③ 对电网无谐波影响。

④ 速度失真大，并且效率较低。

电磁调速电动机调速方法适用于中小功率，要求平滑启动、低速运行的生产机械。

7.液力耦合器调速方法

液力耦合器是一种液力传动装置，又称为液力联轴器，主要包括壳体、泵轮和涡轮3个部分。其中泵轮和涡轮统称为工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，泵轮叶片推动其中的液压油旋转，在离心力作用下，液压油沿着泵轮外环进入涡轮，在同一转向上对涡轮叶片施以力矩作用，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力传输能力与壳内相对充液量的多少成正比，随着液压油量的增加，输出力矩加大，涡轮的转速随之加大，从而达到调节转速的目的。在工程实践中，只要改变充液率，就可以改变耦合器的涡轮转速，做到无级调速。其特点如下。

① 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数兆瓦不同功率的需要。

② 结构简单，没有电气连接，工作可靠，对环境要求不高，维修方便，造价低。

③ 尺寸小，能量容积变化范围比较大。

④ 控制调节方便，容易实现自动控制。

⑤ 靠油量和负荷的拉动调速，调速精度低，当负荷变化时，转速随之变化。

审核编辑：汤梓红