交流電機在整個工業領域很常見--容易被VFD控制，沒有直流刷帶來的維護。那麼，為什麼在某些應用中仍然使用直流電機呢？

直流（DC）電機

所有電機的工作原理是通過切換磁力旋轉軸。直流電機通過摩擦刷在換向器上施加直流電，将施加的電流以交替極性切換到繞組，類似于交流電，而是正負電壓的方波。這産生了一個交替的電磁鐵，它與轉子上的永久磁鐵相互作用，不斷拉動，然後推動并提供旋轉運動。

因此，直流電機與交流電機有許多相似之處，即定期交替極性電源，但直流電源模型需要一些額外的部件。所以問題是：如果直流電機可以完成與交流電機相同的任務，但需要額外的硬件來産生維護熱量、摩擦和灰塵，那麼當你可以很容易地購買交流電機時，為什麼要投資于複雜的直流電機控制系統呢？

為什麼是直流電機？

圖1. 直流電機是一種古老的技術，但仍被廣泛使用

交流電機也有缺陷嗎？

每個電機在行業中都有自己的地位。工業交流電機通常與三相工業電流一起工作，隻需要一個電機接觸器，無需任何特殊的驅動或控制電路。直流電機需要修改電流，從交流電流中轉換，并需要一個控制器來修改電機的速度和方向。

交流電機并不是沒有缺陷的。如果你确實需要控制交流電機的速度，直接在線（或跨線）接觸器将是不夠的。必須使用變頻器，對于大馬力的型号，這些變頻器可能會很貴。變頻器将改變應用交流電源的頻率，以改變電機的速度。如果速度降低太多，電機可能會過熱，因為通常情況下，冷卻風扇是直接與輸出軸耦合的。

随着電子設計和施工成本的下降，VFD驅動的交流電機已成為許多設計的首選，這表明了這些設備的先進可控性和效率。

直流低速轉矩特性

直流電機的主要優點之一是低速性能。當然，它們也可以在高速下驅動，但直流電機可能是首選，如果負載必須快速調整速度，或者它需要在低速下具有優異的扭矩（可能需要很長時間才能加速）。

大型Baldor電機

圖2. 大型工業500伏直流電機

降低速度的方法是降低電壓，或者更常見的是施加脈沖全電壓信号，稱為脈沖寬度調節（PWM）。由于電源線反轉時旋轉慣性較低，直流電機也容易轉換方向。

這種低速扭矩特性是由允許通過電樞的電流引起的。當低速旋轉時，刷子将接觸電樞近一半，為電機每個方向的一半提供全電流。這與典型的交流信号形成了鮮明的對比。在交流信号中，電壓僅在全正或全負時停留一段時間，然後再次減少到交替。在高速條件下，交流信号的快速轉換時間與刷直流信号的快速轉換更具可比性。

随着直流電機速度的增加，電樞線圈作為電感被直流電壓電源充電。當電感在電刷換向時失去直流電壓時，會産生反向電壓(有時稱為反向電壓)，否定一定量的源電壓。随着速度的增加，反向電壓也在增加，導緻電流和扭矩的減少，低速時不存在。這種效果可以通過(安全地)用示波器檢查繞組電壓與地面的比較來看到。

控制直流電機

操作和控制直流電機在很大程度上取決于電機的大小。本文的主題是大型工業電機，盡管一些業餘直流電機可以使用相同的一般控制技術。與其他類型的工業電機、伺服電機或交流電機一樣，市場上有特定的驅動裝置來驅動和控制不同制造商的電機。

西門子直流驅動器

圖3. 西門子Sinamics直流電機驅動器

西門子生産Sinamics DCM系列驅動器，完全集成到他們的編程軟件TIA Portal中。Allen Bradley和Rockwell Automation提供他們的PowerFlex與他們的編程軟件相連的DC驅動器。有了這些特殊的驅動器，您隻需将其連接到機器網絡，PLC可通過網絡通信。

在編程軟件中，提供啟動、停止和改變電機速度的簡單數據結構，以及許多其他控制和反饋參數，就像VFD電機控制是一樣的。這些驅動裝置可以變得相當大，對于大電流的應用，需要在機櫃内大量的冷卻。它們通常安裝在電氣櫃的背闆上，并與供應商的現場總線通信技術相連。

市場上也有更簡單的解決方案，通過開關和表盤提供速度和方向控制，或者有些甚至可以接受速度和方向的模拟和數字輸入。

電動汽車電動馬達

直流驅動電機通常用于電動汽車

在哪裡使用直流電機？

低速扭矩的特點使直流電機非常适合以相對較低的速度移動重物，如天車、電梯或任何需要大量加速的過程設備。風扇和泵需要快速和容易地調整速度，就像電動汽車應用中的電機一樣，直流電機可以很容易地滿足這一要求。

還應指出，原始設備的設計也可以利用電機的特點。對于這些低速應用，也可以使用高速電機和鍊條或齒輪傳動來降低輸出速度和增加扭矩。因此，幾乎不可能解釋任何電機 "必須 "或 "不可能 "應用于某些應用。

總結

正如你所看到的，雖然直流電機的工作原理非常古老，但它仍然是許多應用程序中非常有效的工具。自動化行業已經采用并學會了處理直流電機的缺陷，并且可以使其像交流電機一樣經濟和可控。

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