電氣自動(dòng)化專業(yè)英語6-8

1、il=ia+if第六章的參考譯文：僅供參考，不恰當(dāng)?shù)牡胤?，請自行修?補(bǔ)充，歡迎通過email （qiulk ）進(jìn)行討論和交流。6.1 直流電動(dòng)機(jī)的類型市場上可購買到的電動(dòng)機(jī)基本上分為四種類型：永磁直流 電機(jī)；串勵(lì)直流電機(jī)；并勵(lì)直流電機(jī)；復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。因 其電路布局和物理性質(zhì)，使得每一種電機(jī)具有不同的特點(diǎn)。6.1.1 永磁直流電機(jī)永磁直流電機(jī)，如圖6.1所示，其結(jié)構(gòu)與相對應(yīng)的直流發(fā)電 機(jī)的結(jié)構(gòu)相同。永磁直流電機(jī)用于低力矩的應(yīng)用場合。當(dāng)使用此 種電機(jī)時(shí)，通過電刷-換向器裝置，直接將電源連接到電樞導(dǎo)體 上。磁場由安裝在定子上的永磁體產(chǎn)生，永磁直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是 一個(gè)繞線式電樞。該類型電機(jī)通常采用鋁銀

2、鉆合金或陶瓷永磁體，而不是勵(lì)磁 線圈。鋁銀鉆合金永磁體用于大馬力的應(yīng)用場合。 陶瓷永磁體通 常用于小馬力低轉(zhuǎn)速的電機(jī)。陶瓷永磁體具有較高的抗去磁能 力，但磁通水平相對較低。這些磁體通常安裝在電機(jī)的機(jī)殼上， 并在電樞繞組插入之前進(jìn)行磁化。永磁直流電機(jī)與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 是降低了運(yùn)行成本；永磁電機(jī)的速度特性與并勵(lì)直流電機(jī)的速度 特性相似；永磁電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過調(diào)換兩根電源線而實(shí)現(xiàn) 反轉(zhuǎn)。6.1.2 串勵(lì)直流電機(jī)直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁電路的接線方式?jīng)Q定了電機(jī)的基本特 性。每一種類型的直流電機(jī)具有與之對應(yīng)類型的直流發(fā)電機(jī)相似 的結(jié)構(gòu)，在多數(shù)情況下，唯一的區(qū)別在于發(fā)電機(jī)是作為一個(gè)電

3、壓 源，而電動(dòng)機(jī)是一個(gè)機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置。串勵(lì)直流電機(jī)，如圖6.2所示，其電樞和勵(lì)磁電路以串聯(lián)的 方式連接起來。只有一條從直流電壓源的電流通路。因而，勵(lì)磁 線圈由大線徑導(dǎo)線、以相對少的匝數(shù)繞制而成的，使得勵(lì)磁繞組 的電阻較小。施加到電機(jī)軸上電機(jī)負(fù)載的變化導(dǎo)致流經(jīng)勵(lì)磁線圈 的電流發(fā)生變化。如果機(jī)械負(fù)載增加，則電流也增大。增大的電 流產(chǎn)生一個(gè)更強(qiáng)的磁場。串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在空載下的很快與重載 下的很慢之間變化。由于大電流流過勵(lì)磁線圈，所以串勵(lì)電機(jī)可 產(chǎn)生大力矩輸出。串勵(lì)電機(jī)多用于重載和速度調(diào)節(jié)要求低的場 合。一個(gè)典型的應(yīng)用是汽車啟動(dòng)電機(jī)。6.1.3 并勵(lì)直流電機(jī)并勵(lì)直流電機(jī)比其它類型的直流電機(jī)應(yīng)用更廣。如

4、圖6.3所示，并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞以并聯(lián)的形式連接到直流電 源。這種類型直流電機(jī)的勵(lì)磁線圈由細(xì)徑導(dǎo)線繞制多圈而制成， 具有相對較高的電阻。由于勵(lì)磁繞組是并勵(lì)電機(jī)的高阻并聯(lián)電 路，所以，流經(jīng)勵(lì)磁繞組的電流較小。但是，由于磁場繞組的匝 數(shù)很多，所以，仍然產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的電磁場。絕大多數(shù)（約95%的并勵(lì)電機(jī)電流是流過電樞電路的（意 味著只有約5%勺電流流過勵(lì)磁電路，也就是說該電流的大小變 化不是很大，對磁場強(qiáng)度的影響就會(huì)很?。?。因?yàn)閯?lì)磁電流對磁 場強(qiáng)度影響很小，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載電流變化的影響很小。流 過并勵(lì)電機(jī)的電流關(guān)系如下所示：其中，il-是從電源流出的總電流；ia是電樞電流；if是勵(lì) 磁電流

5、。勵(lì)磁電流可以通過在勵(lì)磁繞組電路上串聯(lián)一個(gè)可變電阻而 改變，因?yàn)閯?lì)磁電流很小，所以采用一個(gè)低功率的變阻箱，通過 勵(lì)磁電阻的改變以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)勵(lì)磁電阻增大時(shí)，勵(lì)磁電 流減小。勵(lì)磁電流減小，導(dǎo)致電磁場強(qiáng)度的下降。當(dāng)磁場磁通下 降是，電樞會(huì)轉(zhuǎn)得更快一些，歸因于磁場交互作用的減弱。這樣, 通過應(yīng)用勵(lì)磁變阻箱的方法，直流并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以很容易地 發(fā)生變化。并勵(lì)繞線式直流電機(jī)具有非常好的速度調(diào)節(jié)特性。當(dāng)負(fù)載增 加時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速有輕微的下降，其原因是電樞兩端電壓降增加。 正是因?yàn)槠淞己玫乃俣日{(diào)節(jié)特性和易于速度控制的特點(diǎn)，直流并 勵(lì)電機(jī)通常應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用，許多類型的變速機(jī)床均由直流并勵(lì) 電機(jī)所驅(qū)動(dòng)。6.

6、1.4 復(fù)勵(lì)繞線式直流電機(jī)復(fù)勵(lì)繞線式直流電機(jī)如圖6.4所示，擁有兩組勵(lì)磁繞組，一 個(gè)與電樞串聯(lián)，另一個(gè)與電樞并聯(lián)。此種電機(jī)結(jié)合了串勵(lì)電機(jī)和 并勵(lì)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)勵(lì)電機(jī)的連接方式有兩種：積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)。 積復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)勵(lì)磁線圈是互相增強(qiáng)的，而差復(fù)勵(lì) 直流電機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)勵(lì)磁線圈是互相減弱的。串聯(lián)勵(lì)磁線圈的 放置位置有兩種方式，一種方式稱之為短并勵(lì)（如圖6.4所示）， 在這種方式中，并勵(lì)勵(lì)磁線圈直接跨接在電樞繞組兩端；而在長 并勵(lì)方式中，并勵(lì)勵(lì)磁線圈跨接在電樞繞組和串聯(lián)勵(lì)磁線圈的兩 端（如圖6.4所示）。復(fù)勵(lì)電機(jī)具有與串勵(lì)電機(jī)相似的大力矩特點(diǎn)，同時(shí)也具有與 并勵(lì)電機(jī)相似的良好的速度調(diào)節(jié)特

7、性的特點(diǎn)。因此，當(dāng)需要大力 矩和良好速度調(diào)節(jié)特性時(shí)，可以選用復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。復(fù)勵(lì)直流電 機(jī)的缺點(diǎn)是它的成本較高。6.1.5 電機(jī)分析一個(gè)直流電機(jī)是一個(gè)功率流向相反的直流發(fā)電機(jī)。 在直流電 機(jī)中，電能被轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。基于前面的討論，有三種類型的直 流電機(jī)：并勵(lì)、積復(fù)勵(lì)和串勵(lì)。積復(fù)勵(lì)電機(jī)前面加了一個(gè)“積” 字，用以強(qiáng)調(diào)所串聯(lián)的勵(lì)磁線圈的方式確保串勵(lì)磁通是增強(qiáng)并勵(lì) 磁通的。不象串勵(lì)發(fā)電機(jī)那樣，串勵(lì)電機(jī)有著廣泛地用途，尤其 是在牽引類負(fù)載。因此本書后續(xù)部分給予此種電機(jī)應(yīng)有的關(guān)注。（也可以翻譯成：“因此，本書后續(xù)部分給予此種電機(jī)相當(dāng)?shù)墓P2、o ）根據(jù)其等效電路、一組性能方程、一個(gè)功率流向圖和磁化曲 線，三

8、種之中的任何一種直流電機(jī)的運(yùn)行性能均可方便的加以描 述。等效電路如圖6.5所示，值得注意的是：在這里，電樞感應(yīng) 電壓被看作一個(gè)反電動(dòng)勢 ea。通過添加適當(dāng)?shù)募s束，我們可以 得到各種理想運(yùn)行模式的等效電路。例如，對于串勵(lì)電機(jī)，其恰 當(dāng)?shù)牡刃щ娐肥菍D6.5所示等效電路中的rf去掉。計(jì)算運(yùn)行性能所需的一組方程如下所示：（式：6.1-6.4 ,省 略）注意最后的兩個(gè)方程做了相應(yīng)的修改，對以下事實(shí)做出解 釋：對于電動(dòng)機(jī)來說，ut是施加電壓或電源電壓，必須等于電壓降之和；同樣地，線電流等于電樞電流和勵(lì)磁電流之和， 而不 是二者之差。功率流向圖如圖6.6所示，來自于電網(wǎng)的電能util提供了 用于建立磁通的

9、磁場能量和維持電流ia的電樞電路銅損。流過 位于磁場內(nèi)的電樞導(dǎo)體的電流導(dǎo)致了力矩的產(chǎn)生 （f=bil）。根據(jù) 能量守恒定律可知：電磁功率eaia應(yīng)等于twm其中w謠穩(wěn)態(tài) 運(yùn)行速度。從電機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械功率中去除旋轉(zhuǎn)損失就是 （系統(tǒng) 的）機(jī)械輸出功率。直流電機(jī)經(jīng)常被用來做一些工業(yè)上非常苛刻的工作，因?yàn)槠?高度的靈活性和易于控制的特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)是其他電磁能量轉(zhuǎn)換 裝置所能比擬的。直流電機(jī)具有一個(gè)寬泛的速度控制和力矩控 制，以及突出的加速和減速特性。例如，通過接入一個(gè)合適的電 樞電路電阻，在啟動(dòng)時(shí)，可以在不超過額定電流的情況下，得到 額定轉(zhuǎn)矩；還有，通過對并勵(lì)勵(lì)磁線圈的特殊設(shè)計(jì)，可以輕松得 到超過4:

10、1的速度調(diào)節(jié)。如果輔助以電樞電壓控制，速度調(diào)節(jié)范 圍可達(dá)6:1。在某些提供電樞和勵(lì)磁電路直流能量的電子控制裝 置中，能達(dá)到的速度調(diào)節(jié)范圍是 40:1 ,不過，能夠控制的電機(jī) 的尺寸是有限的。6.1.6 電動(dòng)機(jī)的速度-力矩特性（機(jī)械特性）直流電機(jī)如何對施加到電機(jī)軸上負(fù)載做出反應(yīng)？直流電機(jī) 自適應(yīng)地向負(fù)載提供所需能量的機(jī)理是什么？這些問題的答案 可以通過對性能方程組的推導(dǎo)而得出。首先，我們的注意力放在 并勵(lì)直流電機(jī)上，但是，類似的推導(dǎo)思路可以應(yīng)用到其它類型的 直流電機(jī)上。為了我們的目標(biāo)，兩個(gè)相關(guān)的描述力矩和電流的方 程，即：t=kt*phi*ia和xxx（6.5式省略）。注意最后一個(gè)表達(dá) 式是由式

11、6.1替代式6.3中的ea所得到的。當(dāng)空載時(shí)，唯一所 需力矩用于克服旋轉(zhuǎn)損失。因?yàn)椴?lì)電機(jī)運(yùn)行在恒定的磁通下， 式t=kt*phi*ia （6.2）表明：與額定值相比，只需要一個(gè)很小 的電樞電流以提供那些（旋轉(zhuǎn)）損失。式（6.5）揭示了電樞電 流到達(dá)所需數(shù)值的方式。在這個(gè)表達(dá)式中，ut、ra ke和phi均為固定值，因此，轉(zhuǎn)速n就是一個(gè)關(guān)鍵變量。對于某一瞬間， 如果假設(shè)轉(zhuǎn)速低于某一數(shù)值，那么式（6.5 ）的分子項(xiàng)呈現(xiàn)一個(gè) 較大數(shù)值，反過來使得電流ia為一個(gè)較大的值。從這一點(diǎn)上來 說，電機(jī)做出反應(yīng)來改正這一情形。大的電樞電流ia產(chǎn)生一個(gè)超過摩擦力和風(fēng)阻的力矩，該力矩將增加轉(zhuǎn)速到一個(gè)與電樞電流 平

12、衡值相對應(yīng)的水平上。換句話說，只有在轉(zhuǎn)速到達(dá)這樣的一個(gè) 水平上-由公式（6.5）所產(chǎn)生的電樞電流足以克服旋轉(zhuǎn)損失， 加速力矩才變成零。接下來考慮這樣一個(gè)情形：當(dāng)一個(gè)需要額定力矩的負(fù)載突然 施加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。很清楚，因?yàn)樵谶@一瞬間，電機(jī)所產(chǎn)生的而 力矩只能夠克服摩擦力和風(fēng)阻，而不足以克服負(fù)載力矩，所以， 電機(jī)的第一個(gè)反應(yīng)是失速（速度下降）。這樣，正如式（6.5）所 示的那樣，電樞電流增大，反過來使得電磁力矩增大。事實(shí)上， 施加力矩導(dǎo)致電機(jī)在某個(gè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)的電流足以產(chǎn)生 力矩以克服所施加的力矩和摩擦力矩。 達(dá)到所謂的功率平衡，此 時(shí)，達(dá)到一個(gè)平衡條件：電磁功率 eaia等于機(jī)械功率twm

13、直流電機(jī)與三相感應(yīng)電機(jī)的對比表明：從施加到轉(zhuǎn)軸上的負(fù) 載的響應(yīng)來看，兩者都是速度敏感型裝置。然而，一個(gè)本質(zhì)的區(qū) 別在于對于三相感應(yīng)電機(jī)來說，所產(chǎn)生的力矩與電樞電流的功率 因數(shù)角大小成反比。當(dāng)然，對于直流電機(jī)來說，沒有類似的情形?；谏鲜鲇懻?，很明顯，直流電機(jī)的速度-力矩特性曲線是 一個(gè)重要的性質(zhì)。圖6.7所示是用于并勵(lì)、復(fù)勵(lì)和串勵(lì)電機(jī)的速 度-力矩特性的一般形狀。為了便于比較，這些曲線通過了一個(gè) 共同的額定力矩和額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)。要理解為什么曲線的形狀和相對 位置會(huì)如圖6.7所示，可以從式（6.1 ）中得到答案，其含有速 度項(xiàng)。對于并勵(lì)直流電機(jī)來說，速度方程可以記作：ea ut -iarak-sh

14、- ke -sh式子中的變量只有轉(zhuǎn)速n和電樞電流ia。在額定輸出力矩 情況下，電樞電流為額定值，轉(zhuǎn)速也為額定值。當(dāng)負(fù)載去除后， 電樞電流相應(yīng)地變小，使得式（6.6）的分子項(xiàng)變大，其結(jié)果是 導(dǎo)致較高的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速增高的程度取決于電樞電阻壓降與端電壓 相比有多大，通常約為 5%-10%因而，我們可以想象出并勵(lì)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速變化百分比大致為這一量級。速度變化用一個(gè)稱為轉(zhuǎn)速 變化率的品質(zhì)因數(shù)來表示，其定義如下：轉(zhuǎn)速變化率空載轉(zhuǎn)速-滿載轉(zhuǎn)速.滿載轉(zhuǎn)速當(dāng)速度方程應(yīng)用于積復(fù)勵(lì)電機(jī)時(shí)，其形式為:n _ut-ia（ra + rs） n - ke（ sh 's）將其與并勵(lì)電機(jī)的類似表達(dá)式比較可以得出兩點(diǎn)不同：

15、1）分子項(xiàng)中包含除電樞繞組之外的串勵(lì)勵(lì)磁繞組的電壓降；2）分母項(xiàng)增加串勵(lì)磁通量phis。假設(shè)從額定力矩和轉(zhuǎn)速處開始，從 式（6.8）可以清楚地看出：當(dāng)負(fù)載力矩減小為零時(shí)，分子項(xiàng)有 一個(gè)增長，該增長大于并勵(lì)電機(jī)情況下的增長，而且，與此同時(shí)， 分母項(xiàng)有所減小，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，phis也為零。兩種因素 同時(shí)作用使得轉(zhuǎn)速有一個(gè)大的增長。因此，積復(fù)勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變 化率大于并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率。圖6.7圖示地描述了該信息。串勵(lì)電機(jī)的速度-力矩特性情況有很大的不同，因?yàn)樗鼪]有 并勵(lì)的勵(lì)磁繞組。牢記：在串勵(lì)電機(jī)中，磁場磁通的建立完全來 自電樞電流流過串勵(lì)勵(lì)磁線圈。那么，據(jù)此而論，串勵(lì)電機(jī)的速 度方程變?yōu)椋簄

16、 eauia（r rs）n 二=ke sakes其中ke表示一個(gè)新的比例因子，使得*s可以由電樞電流ia所代替。當(dāng)額定力矩產(chǎn)生時(shí)，電樞電流為額定電流，因而， 磁場磁通是足夠的。然而，當(dāng)負(fù)載力矩撤銷時(shí)，電樞電流就小于 額定值。現(xiàn)在，由于ia出現(xiàn)在速度方程的分母項(xiàng)中，顯而易見， 轉(zhuǎn)速會(huì)有較大的增長。事實(shí)上，如果將負(fù)載從電機(jī)軸上去除，將 會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的高速旋轉(zhuǎn)（俗稱“飛速”），因?yàn)殡姌须娏骱苄?。?如此高速旋轉(zhuǎn)下，離心力能夠輕易地?fù)p壞電樞繞組，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，串勵(lì)電機(jī)絕對不允許空載運(yùn)行（或很輕的負(fù)載運(yùn)行）。（通常規(guī)定：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械相連時(shí)，不允許采用皮帶等 容易發(fā)生滑脫的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而應(yīng)采用齒輪

17、或直接聯(lián)軸器來拖動(dòng)）因?yàn)樵诖畡?lì)電機(jī)中，電樞電流直接與氣隙磁通相關(guān)聯(lián)，關(guān)于 輸出力矩的式（6.2）可以修改并記作如下形式：'2 t =ktia =k"a因此，對串勵(lì)電機(jī)來說，輸出力矩是電樞電流平方的函數(shù)， 這表明與輸出力矩與電樞電路成線性關(guān)系的并勵(lì)電機(jī)是相反的（是非線性關(guān)系）。當(dāng)然，復(fù)勵(lì)電機(jī)則呈現(xiàn)一種介于兩者之間的 一種關(guān)系。值得注意的是：當(dāng)串勵(lì)電機(jī)做出反應(yīng)以產(chǎn)生大的力矩 時(shí)，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地下降了。正是這種能力，使得串勵(lì)電機(jī)非常適 用于牽引型負(fù)載。直流電機(jī)超越其他類型電機(jī)的另一引人注目的優(yōu)點(diǎn)是相對 容易地實(shí)現(xiàn)速度控制。各種各樣的速度控制策略可以從式（6.6 ） 中推導(dǎo)出來，重復(fù)列

18、寫如下，其中有一處修改：ut -ia（ra re） n =ke修改之處在于包含了一個(gè)外加的電樞電路電阻 re通過對 式（6.11）的觀察，發(fā)現(xiàn)：速度控制可以通過調(diào)節(jié)式子右側(cè)的三 個(gè)參數(shù)之一而實(shí)現(xiàn)，它們是：ut、re和巾。最簡單的方法是調(diào)節(jié)采用如圖6.5所示的勵(lì)磁變阻箱，如果勵(lì)磁變阻箱的 電阻增大，則氣隙磁通減弱，將產(chǎn)生更高的旋轉(zhuǎn)速度。一般用途 的并勵(lì)直流電機(jī)通過此種速度控制方法實(shí)現(xiàn) 200%）勺額定轉(zhuǎn)速控 制。然而，因?yàn)槿趸舜艌龃磐ǎ咚贂r(shí)（所發(fā)出）的允許力矩 要相應(yīng)地減小，為了防止過高的電樞電流。調(diào)速的第二種方法是采用外加的電阻 re,其連接在電樞電 路上，如圖6.8所示。該電阻的尺寸和成

19、本遠(yuǎn)大于勵(lì)磁變阻箱的 尺寸和成本，因?yàn)?re必須能夠應(yīng)付全部的電樞電流。式子（6.（11） ：電阻re越大，速度調(diào)節(jié)范圍則越廣。通常情況 下，外加電阻以提供額定轉(zhuǎn)速下降50%勺大小來選擇。該方法的 主要缺點(diǎn)是運(yùn)行效率差，例如：速度下降 50%電阻re兩端將 有一半的終端電壓降，相應(yīng)地，約50%勺電網(wǎng)輸入能量在電阻re 中以發(fā)熱的形式消耗掉了。盡管如此，電樞電路阻抗控制方法經(jīng) 常會(huì)用到，尤其是對于串勵(lì)直流電機(jī)。第三種也是最后一種速度控制方法是調(diào)整終端電壓。從應(yīng)用 靈活性和運(yùn)行效率的角度來看，該方法是最理想的。但是，因?yàn)?需要獨(dú)立的直流電源，該方法是最昂貴的。該方法意味著必須要 買一套電機(jī)發(fā)電機(jī)組

20、，其容量至少要等于被控電機(jī)的容量。這樣 的費(fèi)用通常是不合理的，除非對于那些用該方法獲得超高性能而 不可缺少的情況，例如在軋鋼應(yīng)用場合，終端電壓控制，又稱為 ward-leonard 系統(tǒng)。6.1.7 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是它是一個(gè)單勵(lì)電機(jī)。雖然此類 電機(jī)具有一個(gè)勵(lì)磁繞組和一個(gè)電樞繞組， 但是，在正常的使用過 程中，電源直接連接在一個(gè)繞組上,（611勵(lì)磁繞組。通過電磁感應(yīng)， 電流流過電樞繞組，這就形成載流導(dǎo)體分布，與磁場分布相互 作用而產(chǎn)生一個(gè)單方向的凈力矩。載流體中感生電流的頻率受載 流體所在的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的影響。然而，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電樞電流頻 率之間的關(guān)系導(dǎo)致了定子磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)

21、勢相對靜止【見許實(shí) 章電機(jī)學(xué)229（pdf頁數(shù)，而非頁碼）】。結(jié)果，單勵(lì)的感應(yīng)電 機(jī)能夠在任意一個(gè)低于同步轉(zhuǎn)速產(chǎn)生力矩。 正因?yàn)檫@個(gè)原因，感 應(yīng)電機(jī)被歸為異步電機(jī)之列。與其相反，同步電機(jī)是一種只能在 一個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生凈力矩的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置【參看許實(shí)章電機(jī)學(xué)有關(guān)同步電機(jī)內(nèi)容】。同步電機(jī)的突出特點(diǎn)是其為雙邊勵(lì)磁裝置，除了用作磁阻電動(dòng)機(jī)（凸極無勵(lì)同步電動(dòng)機(jī)）之外。三相感應(yīng)電機(jī)的突出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在5.3節(jié)中已加以描述。因?yàn)椋?.1感應(yīng)電機(jī)是單邊勵(lì)磁的，所以，勵(lì)磁電流和做功電流從同一線路1）中流過是必須的。而且，因?yàn)樵诟袘?yīng)電機(jī)的磁路中存在氣隙， 所 以外加電壓要產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的勵(lì)磁電流用來建立所需的每一磁

22、 極的磁通。通常情況下，三相感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小為額定電 流的25-40%因此，可知感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行在輕載情況下，功率因 數(shù)很低；在額定功率輸出w>1近，功率因數(shù)略小于 1?？刂破鞯幕竟δ苁翘峁┱_的啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)，同時(shí)不 給電機(jī)、其他負(fù)載和電源系統(tǒng)帶來損壞或不方便。 而且，控制器 還完成其他有用的功能，主要如下：（1）限制啟動(dòng)力矩。過大的啟動(dòng)力矩會(huì)損壞某些連接到電 機(jī)軸上的負(fù)載。例如，風(fēng)扇葉片會(huì)折斷，或存在間隙的齒輪傳動(dòng) 箱會(huì)斷齒。控制器在啟動(dòng)時(shí)降低電壓，并隨著轉(zhuǎn)速的提高而協(xié)調(diào) 地增大到全電壓。（2）限制啟動(dòng)電流。多數(shù)超過2.38千瓦的電機(jī)不能直接通 過三相電網(wǎng)啟動(dòng)，因?yàn)檫@樣會(huì)造成過

23、大的啟動(dòng)電流?；叵胍幌拢?在單位轉(zhuǎn)差率下，電流只取決于通常很小的漏磁阻抗，大電機(jī)情 況下漏磁阻抗更小。大啟動(dòng)電流很令人討厭，因?yàn)闀?huì)造成電燈閃 爍、可能使其他相連的電機(jī)停轉(zhuǎn)。降壓啟動(dòng)很容易地消除這一煩 人的問題。（3）提供過載保護(hù)。所有通用的電機(jī)均設(shè)計(jì)為連續(xù)輸出滿 負(fù)荷而無過熱。然而，如果某種原因造成電機(jī)連續(xù)輸出150%日定功率的話，電機(jī)會(huì)提供所需功率直到在運(yùn)行過程中燒毀。電機(jī) 的功率等級劃分是基于勵(lì)磁繞組和電樞繞組所用絕緣材料所能 容忍的允許溫升的。銅損產(chǎn)生熱而導(dǎo)致溫度升高。只要這些銅損 沒有超過額定值，對電機(jī)來說就沒有危險(xiǎn)，但是，如果超過所允 許的值，就會(huì)造成損壞。保持溫升在安全范圍之內(nèi)是電

24、機(jī)運(yùn)行的 內(nèi)在要求。因此，提供此種保護(hù)也是控制器的功能。通過選用合 適的延時(shí)繼電器可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，延時(shí)繼電器對電機(jī)線電流產(chǎn) 生的熱很敏感。（4）提供欠壓保護(hù)。長時(shí)間降壓運(yùn)行對電機(jī)有害，尤其是 當(dāng)負(fù)載需要額定功率時(shí)。如果線電壓下降到預(yù)設(shè)值之下時(shí)，在控制器作用下，電機(jī)自動(dòng)地與三相電源斷開連接。6.5三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度-力矩特性轉(zhuǎn)矩隨速度或轉(zhuǎn)差率的變化是三相感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)重要特性。該曲線的一般形狀可以根據(jù)基本的轉(zhuǎn)矩方程(6.12)和性能計(jì)算步驟等確定下來。t =0.177p：，(z2kw2l2)cos-其中，p-磁極對數(shù)z2-電樞繞組的導(dǎo)體數(shù)目kw2-電樞繞組系數(shù)i2- 每相電樞繞組電流當(dāng)電機(jī)運(yùn)

25、行在小轉(zhuǎn)差率情況下，例如空載，轉(zhuǎn)子電流幾乎為 零，使得所輸出的力矩只能夠提供旋轉(zhuǎn)損失。當(dāng)轉(zhuǎn)差率從零升高 到10%寸，公式(6.13)表明電機(jī)電流的增長幾乎為線性。1 _se2i2 一. . r2 jsx2這是因?yàn)樽杩沟奶摬縮x2與r2相比很小。而且，表明公式(6.12)中的相位角中等于轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)角劣,即:：=2 = tan/sx當(dāng)轉(zhuǎn)差率繼續(xù)增加時(shí)，電路繼續(xù)增加，但是與起先先比，增 幅有所下降。其原因在于轉(zhuǎn)子阻抗中虛部sx2的比重增加；另外,相位角開始快速增大，使得cos 1的減小速度大于電流的增大速度。由于轉(zhuǎn)矩方程中包含有兩個(gè)對立的系數(shù)，完全有理由得 到這樣一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)之后，隨著轉(zhuǎn)差

26、率繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致所 產(chǎn)生的力矩減小。換句話說，公式(6.12)中快速減小的系數(shù)cos ',超過了輕微增加的系數(shù)i2 o隨著相位角的增大，用于產(chǎn)生力矩的磁場變得越來越?jīng)]有作用， 因?yàn)?，在給定的磁極磁 通下，出現(xiàn)了越來越多的產(chǎn)生負(fù)向力矩導(dǎo)體，因此，合成的整個(gè) 機(jī)械特性曲線呈現(xiàn)如圖6.9所示的形狀。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為1時(shí)，即，轉(zhuǎn)速為零時(shí)，所產(chǎn)生的力矩為啟動(dòng)力 矩。圖6.9所示的情況表明：此種電機(jī)的啟動(dòng)力矩是稍稍超過額 定轉(zhuǎn)矩的，對于某種電機(jī)來說是很典型的。啟動(dòng)力矩的計(jì)算方法 同任何轉(zhuǎn)差率下的力矩計(jì)算方法一樣，只不過是s=1而已，轉(zhuǎn)子 電流的數(shù)值是固定的，為：2.(1 i(x x2)2令人感興趣的是提

27、高靜止時(shí)的銅損會(huì)帶來更高的啟動(dòng)力矩。在單位轉(zhuǎn)差率下，輸入阻抗很低，以至于流過大的啟動(dòng)電流。 公式(6.15)很清楚地說明了這一點(diǎn)。為了限制過大的啟動(dòng)電流， 額定功率超過2.38kw的電機(jī)通常采用降壓啟動(dòng)的方法啟動(dòng)，當(dāng) 然，在降壓啟動(dòng)方式下，啟動(dòng)力矩也會(huì)減小。事實(shí)上，如果啟動(dòng) 時(shí)采用50喊定電壓的話，那么，由6m ( 6.16)可以清楚地得 出：啟動(dòng)力矩只有全壓情況d的四分之一。三相感應(yīng)電機(jī)的另一個(gè)重要力矩參數(shù)是最大輸出力矩。 該參 數(shù)很重要，以至于該參數(shù)經(jīng)常是電機(jī)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，最大力矩(極 限力矩)是衡量電機(jī)儲(chǔ)備功率的一個(gè)指標(biāo)，其經(jīng)常是額定轉(zhuǎn)矩的 200-300%,允許電機(jī)短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在峰值負(fù)

28、載。然而，不能連續(xù) 輸出最大負(fù)載，因?yàn)檫^大的電流會(huì)損壞電機(jī)的絕緣。因?yàn)檩敵隽嘏c氣隙功率成正比，所以，當(dāng)力矩最大時(shí)，氣 隙功率pg也是最大的，另外，當(dāng)最大傳遞功率傳遞到等效電路',一 一電阻2 ： s時(shí)，氣隙功率最大。向廉良大功率傳輸定律于等效電3)路，可得如下結(jié)果：'二.r12 (x1 x2)2sm即，當(dāng)氣隙電阻2 : s等于甘流白1輸出阻抗時(shí)，最大功率傳 3)'輸?shù)綒庀峨娮? : s上。因此，在最大力矩處的轉(zhuǎn)差率 sm由下面公式推出：sm -2,、2,1(x1 x2)注意：采用大的轉(zhuǎn)子電阻可以提高發(fā)生最大力矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 數(shù)值。事實(shí)上，一些感應(yīng)電機(jī)被設(shè)計(jì)成以最大力矩作

29、為啟動(dòng)力矩, 即 sm=1最大力矩處的轉(zhuǎn)差率sm已知，對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流可以得出， 帶入力矩方程可以得出極限力矩，即：1 ql22 'squ；_2's 21,13x2審視公式(6.19)可以發(fā)現(xiàn)有趣的信息:最大轉(zhuǎn)子繞組的電阻無關(guān)，因而，提高轉(zhuǎn)子繞組的電阻，會(huì)提高發(fā)生極限力矩處的 轉(zhuǎn)差率，但保持力矩大小不變。圖6.10顯示增大轉(zhuǎn)子電阻后的 機(jī)械特性。(以上內(nèi)容僅供參考)第七章的參考譯文：僅供參考，不恰當(dāng)?shù)牡胤?，請自行修?(6.1 一補(bǔ)充，歡迎通過email (qiulk )進(jìn)行討論和交流。5)對應(yīng)的氣隙功率為:pg =qi2r2 = /(12 'qu122)2 (x1 x2

30、)2前面章節(jié)主要討論了電機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本章將概述幾種用于電機(jī)的功率控制系統(tǒng)。(6.17.1控制符號這里，q-為電樞繞組的相數(shù)6)熟悉那些通常應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)的電氣符號是很有必要 的，一些常用的電機(jī)控制符號如圖7.1所示。第七章電機(jī)控制系統(tǒng)7.2 用開關(guān)來控制電機(jī)(電機(jī)的開關(guān)控制)電機(jī)控制的一個(gè)重要類型是通過開關(guān)器件來控制。 許多類型 的開關(guān)可以用于控制電機(jī)，開關(guān)的功能是閉合和斷開一個(gè)電路， 然而，還可以實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能。7.2.1 閘刀開關(guān)(toggle switch )閘刀開關(guān)是最簡單的開關(guān)類型之一，幾種閘刀開關(guān)的電氣符 號如圖7.2所示。注意這些符號用于表示多種類型的閘刀開關(guān)。7

31、.2.2 按鈕開關(guān)(pushbutton switch )按鈕開關(guān)廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制。許多電機(jī)應(yīng)用場合使用按鈕 開關(guān)作為控制電機(jī)起動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)的途徑。按鈕由手工操作實(shí) 現(xiàn)電機(jī)控制電路的斷開與閉合。用于控制電機(jī)的按鈕有多種類 型。按鈕通常安裝在被稱為電機(jī)控制臺的機(jī)殼上。通常，按鈕要么是常閉型、要么是常開型，然而，在實(shí)際 應(yīng)用中會(huì)有一些變化。一個(gè)常閉型按鈕是閉合的，直到其被手動(dòng) 按下，當(dāng)其被按下時(shí)，將會(huì)斷開一個(gè)電路；常開型按鈕是斷開的， 直到其被手動(dòng)按下，一旦被按下，將會(huì)閉合一個(gè)電路。電機(jī)控制 臺的“起動(dòng)”按鈕是常開型的，而“停止”按鈕是常閉型的。7.2.3 旋轉(zhuǎn)開關(guān)(rotary switch

32、 )另一種常用的開關(guān)是旋轉(zhuǎn)開關(guān)，通過采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以將許 多不同的開關(guān)組合連接起來。旋轉(zhuǎn)開關(guān)的軸上安裝有一組可動(dòng)觸 點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸被旋轉(zhuǎn)到不同位置時(shí)，這些可動(dòng)觸點(diǎn)與安裝在瓷片上 的不同靜止觸點(diǎn)相結(jié)合，在任何一個(gè)位置處，轉(zhuǎn)軸可以鎖定位置。 旋轉(zhuǎn)開關(guān)通常通過手動(dòng)順時(shí)針或反時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行控制。通常 在轉(zhuǎn)軸的末端安裝一個(gè)手柄，用于更容易地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸。7.2.4 限位開關(guān)(limit switch )限位開關(guān)僅僅是一個(gè)開通/關(guān)斷的開關(guān)裝置，其通過機(jī)械運(yùn) 動(dòng)改變電氣控制電路的運(yùn)行。機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電氣控制電流用于 限制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，或改變器運(yùn)行順序。在工業(yè)上，限位開關(guān)常被 用于順序、行程、分類和計(jì)數(shù)等操作，它們常

33、常被用于液壓和氣 動(dòng)控制、電氣繼電器或其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)床，例如鉆床、車床或 傳送系統(tǒng)。其最基本形式是，限位開關(guān)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電氣控制 電流。注意凸輪機(jī)構(gòu)，其為通常安裝在機(jī)床上的一個(gè)外部零件。 凸輪施加外力到限位開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是限位開關(guān)的 一個(gè)部件，使內(nèi)部常開或常閉觸點(diǎn)改變狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行要么 歸因于凸輪機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，要么歸因于凸輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 這些運(yùn)動(dòng)施加力到限位開關(guān)。與限位開關(guān)相關(guān)的其他專業(yè)術(shù)語 有：預(yù)行程和過行程。預(yù)行程是改變限位開關(guān)的常開或常閉觸點(diǎn) 狀態(tài)之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須運(yùn)動(dòng)的一段距離。過行程是狀態(tài)改變后 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一段距離。在限位開關(guān)使用的機(jī)器裝置中，預(yù)行

34、 程和過行程是很重要的參數(shù)。7.2.5 溫控開關(guān)(temperature switch )溫控開關(guān)是控制裝置中常用的一種開關(guān)。溫控開關(guān)的控制元 件由一定數(shù)量的液體組成。當(dāng)溫度升高時(shí)，這些液體的體積增大。 因而，溫度上的變化可以用于改變溫控開關(guān)機(jī)殼內(nèi)的一組觸點(diǎn)位 置。在一定溫度設(shè)定范圍內(nèi)，溫控開關(guān)是可調(diào)的。7.2.6 壓力開關(guān)(pressure switch )另一種電氣控制元件是壓力開關(guān)。壓力開關(guān)有一組電氣觸點(diǎn)，其狀態(tài)的改變歸因于空氣、流體、水或其他媒介的壓力變化。 一些壓力開關(guān)是薄膜驅(qū)動(dòng)的，依賴于媒介，例如空氣，的吸入和 排出，其動(dòng)作發(fā)生在機(jī)殼內(nèi)的薄膜機(jī)構(gòu)上。另一種類型的壓力開 關(guān)采用活塞機(jī)

35、構(gòu)，觸發(fā)開關(guān)觸點(diǎn)的斷開或閉合，在這種方式下， 活塞的運(yùn)動(dòng)受媒介(空氣、水、等)壓力控制。7.2.7 腳踏開關(guān)(foot switch )腳踏開關(guān)是一種由腳踏板控制的開關(guān)，該類開關(guān)用于機(jī)床操 作人員在機(jī)床運(yùn)行過程中雙手被占用的場合下。腳踏開關(guān)為機(jī)床 的運(yùn)行提供了一個(gè)額外的控制位置，例如雙手不能使用的場合。7.3 電機(jī)的控制設(shè)備幾種機(jī)電設(shè)備被用于電機(jī)控制，控制設(shè)備的選擇影響系統(tǒng)的 運(yùn)行效率和機(jī)床的性能。為每種電機(jī)控制應(yīng)用場合選擇合適的控 制設(shè)備是很重要的。本節(jié)將討論幾種用于電機(jī)控制的設(shè)備。7.3.1 電機(jī)起動(dòng)控制一個(gè)電機(jī)起動(dòng)裝置是一類電機(jī)控制設(shè)備，用于將電機(jī)從“停 止”狀態(tài)加速到正常運(yùn)行速度。在電

36、機(jī)起動(dòng)設(shè)計(jì)中有多種變化， 最簡單是手動(dòng)操作串聯(lián)在一根或多根電源線上的開關(guān)進(jìn)行起動(dòng)。 該類型的起動(dòng)通常用于小型電機(jī)，其不會(huì)產(chǎn)生過大的起動(dòng)電流。一種類型的電機(jī)起動(dòng)裝置是磁起動(dòng)器，利用電磁原理斷開或 閉合電機(jī)的電源電路。通常，電機(jī)的起動(dòng)裝置和起動(dòng)控制設(shè)備組 合在一起用于控制附近的電機(jī)，這些組合的起動(dòng)器和相關(guān)控制設(shè) 備稱之為功率控制中心。由于控制中心結(jié)構(gòu)緊湊、并且控制設(shè)備 沒有大面積分散，所以很容易連接到電源系統(tǒng)。幾種電機(jī)起動(dòng)器用于電機(jī)的控制，起動(dòng)器的功能根據(jù)復(fù)雜程 度而變化；然而，通常需要完成一種或幾種如下的功能：開通、 斷開控制；加速；過載保護(hù)；反向旋轉(zhuǎn)一些起動(dòng)器通過直接連接電源線的方式控制電機(jī)，

37、另一些起 動(dòng)器降低起動(dòng)時(shí)施加到電機(jī)上的電壓水平，從而降低了起動(dòng)電 流。通常，電機(jī)過載保護(hù)也包含在電機(jī)起動(dòng)器的機(jī)殼內(nèi)。典型的電機(jī)接觸器電路如圖7.3所示。幾種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的起動(dòng) 器采用接觸器作為主要的控制元件。按下圖7.3中所示的起動(dòng)按 鈕，閉合了接觸器線圈的低電流通路，接觸器線圈產(chǎn)生吸引電樞 的電磁場，電樞的機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過一系列觸點(diǎn)閉合了電源和電機(jī)之 間的電氣通路。但這些動(dòng)作發(fā)生時(shí)，電機(jī)開始它的運(yùn)行周期。電樞左側(cè)的線圈觸點(diǎn)在同一電樞運(yùn)動(dòng)下結(jié)合在一起，結(jié)果， 此時(shí)釋放起動(dòng)按鈕不會(huì)使接觸器線圈失電，通向線圈電源的通路 是閉合的，其通過了停止按鈕和電樞上的線圈觸點(diǎn)，因此，只要 有電，電機(jī)就繼續(xù)運(yùn)行，用作此

38、項(xiàng)功能的觸點(diǎn)成為保持觸點(diǎn)(自 鎖觸點(diǎn))。通過按下停止按鈕實(shí)現(xiàn)接觸器控制電機(jī)的停止運(yùn)行， 該動(dòng)作 斷開了接觸器線圈的電源，致使電樞退出吸合位置，與電機(jī)串聯(lián) 的接觸器觸點(diǎn)斷開，使電機(jī)失電，電機(jī)通路斷開則電機(jī)立即停止。電機(jī)接觸器的繼電器動(dòng)作設(shè)計(jì)成具有自鎖功能，一旦上電則 保持其操作，在電機(jī)控制應(yīng)用中，這個(gè)條件是必須的。另外，接 觸器也能以一個(gè)特定順序來執(zhí)行一系列操作。電機(jī)接觸器運(yùn)行原 理的電路圖和簡要解釋如圖7.4所示。按下起動(dòng)按鈕，電路閉 合，電流從電壓源出發(fā)，流經(jīng)常閉停止按鈕、起動(dòng)按鈕、接觸器 線圈，回到電源另一側(cè)，使得線圈得電，而所有觸點(diǎn)閉合；觸點(diǎn)閉合，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，因?yàn)?ac電壓通過觸點(diǎn)施加

39、到 電機(jī)上，在起動(dòng)按鈕釋放后，自鎖觸點(diǎn)保持了通向線圈的電流通 路的完整；電機(jī)旋轉(zhuǎn)；按下停止按鈕，打開常閉停止按鈕的瞬間，電流通路也就 斷開了，線圈失電，使得觸點(diǎn)斷開；電機(jī)將停轉(zhuǎn)7.3.2 繼電器繼電器是廣泛使用的控制裝置，具有一個(gè)含有靜止鐵心的電 磁鐵，靠近鐵心的一端安裝一個(gè)由鐵磁性材料制成的可動(dòng)部件， 稱之為電樞。當(dāng)鐵心上電時(shí)，在鐵心附近產(chǎn)生一個(gè)電磁場，電樞 被吸向鐵芯；當(dāng)線圈失電時(shí)，電樞在彈簧的作用下回到原始位置。 圖7.5所示為繼電器用于控制電機(jī)的簡圖。通常，繼電器電樞被設(shè)計(jì)成：電氣觸點(diǎn)響應(yīng)電樞的運(yùn)動(dòng)。繼 電器線圈得電導(dǎo)致觸點(diǎn)根據(jù)繼電器設(shè)計(jì)要求進(jìn)行“閉合”或“斷 開”，一個(gè)繼電器被看作是

40、一個(gè)電磁開關(guān)機(jī)構(gòu)，有多種專用繼電 器和開關(guān)組合用于電機(jī)控制。繼電器用一個(gè)小電流建立一個(gè)足夠強(qiáng)的磁場以吸引電樞，當(dāng) 電樞被吸引時(shí)，要么斷開觸點(diǎn)，要么閉合觸點(diǎn)，則這些觸點(diǎn)要么 斷開、要么閉合一個(gè)大電流通路。流過繼電器線圈的用于建立足 夠強(qiáng)磁場吸引電樞的最小電流稱之為吸動(dòng)電流；流過繼電器線圈 的所產(chǎn)生的磁場不足以吸引電樞的最大電流稱之為開斷電流；大多數(shù)繼電中有兩種類型的觸點(diǎn)：常開和常閉。常開觸點(diǎn)在 線圈失電時(shí)保持常開，而當(dāng)線圈得電時(shí)閉合；常閉觸點(diǎn)在線圈是 失電時(shí)保持常閉，而當(dāng)線圈得電時(shí)斷開。7.3.3 螺線管螺線管如圖7.6所示，是一個(gè)帶有可動(dòng)鐵心的電磁線圈，可 動(dòng)鐵心由磁性材料構(gòu)成。有時(shí)，鐵心或活

41、塞連在一個(gè)外部彈簧上， 該彈簧使活塞保持在固定位置，直到活塞被流過線圈電流所產(chǎn)生 的磁場驅(qū)動(dòng)，當(dāng)線圈掉電時(shí)，外部彈簧使活塞或鐵心回到原始位 置。螺線管被用于多種控制場合，許多燃?xì)鉅t或燃油爐采用螺線 管閥門，根據(jù)實(shí)際需要以打開或關(guān)閉燃料供應(yīng)；大多數(shù)洗碗機(jī)采 用一個(gè)或多個(gè)螺線管閥門以控制水流。7.3.4 專用繼電器在電機(jī)控制中，有許多專用繼電器，通用繼電器是應(yīng)用于低 功率場合的一類繼電器，它們相對便宜而尺寸較小，許多小型通 用繼電器常常安裝在八腳插座內(nèi)。自鎖繼電器是另一種類型的繼 電器，它具有自鎖機(jī)構(gòu)，能夠在電源從線圈移除后，繼續(xù)保持觸 點(diǎn)的位置。固態(tài)繼電器是電動(dòng)的，用于必須提高可靠性或操作快 速

42、型的場合，一般電磁繼電器長期使用后會(huì)損壞，因而必須定期 更換；固態(tài)繼電器具有較長的壽命，而且對沖擊、振動(dòng)、灰塵、 潮濕或腐蝕不敏感。延時(shí)繼電器用于在一段時(shí)間之后打開或關(guān)斷 負(fù)載，常用的一類延時(shí)繼電器是氣動(dòng)式的，氣動(dòng)式延時(shí)繼電器的 運(yùn)行取決于腔體內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)，空氣運(yùn)動(dòng)受可調(diào)小孔的控制，該 孔用于調(diào)節(jié)通過腔體的空氣運(yùn)動(dòng)速度，氣流速度決定了膜片或活 塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，這些機(jī)構(gòu)與繼電器的觸點(diǎn)相連，因此，調(diào)節(jié) 小孔控制氣流速度，而氣流速度決定了從繼電器活動(dòng)到連接其上的負(fù)載接通或斷開的時(shí)間長短。也有另外幾種類型的延時(shí)繼電 器，例如固態(tài)的、溫控的、充油式、阻尼式、和電機(jī)驅(qū)動(dòng)式定時(shí) 器等。延時(shí)繼電器對于循序操

43、作很有用，各個(gè)操作之間需要一定 的時(shí)間延遲。一個(gè)典型的應(yīng)用如下：按下起動(dòng)按鈕；延時(shí)繼 電器激活；10秒鐘延時(shí)后，電機(jī)開始運(yùn)行；7.4 電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)，尤其是對于大功率電機(jī)來說，在電機(jī)的高效 運(yùn)行方面起著重要的作用。幾種系統(tǒng)被用于電機(jī)起動(dòng)，所使用的 起動(dòng)控制設(shè)備被置于電源和電機(jī)之間。在起動(dòng)過程中，電機(jī)流過 的電流大于正常運(yùn)行時(shí)所流過的電流，電機(jī)起動(dòng)設(shè)備常用于減小 起動(dòng)電流到電源系統(tǒng)能夠處理的水平。7.4.1 全壓起動(dòng)（直接起動(dòng)）一種起動(dòng)方法稱為全壓起動(dòng)，該方法是最便宜而且最易于安 裝的，因?yàn)槿侩娫措妷阂婚_始就被施加到電機(jī)上，所以產(chǎn)生最 大的力矩和最小的加速時(shí)間，然而電源系統(tǒng)必須能夠承

44、受電機(jī)所 流過的起動(dòng)電流。全壓起動(dòng)電路如圖7.7所示。ikrct-pliasc powerlinesnomialk open pushbuiteoii smlchrkslopr.ccmlrolthree-phjstf mowr# hue oomucisxormally ii-pun holdingpuihbullcm(3h-圖7.7三相電機(jī)全壓起動(dòng)電路在這個(gè)電機(jī)控制電路中，起動(dòng)-停止按鈕用于控制三相電機(jī)， 當(dāng)常開的起動(dòng)按鈕被按下，電流通過繼電器線圈（m）,使常開型 觸點(diǎn)閉合，當(dāng)線電壓觸點(diǎn)閉合時(shí)，全電壓被施加到電機(jī)上。當(dāng)起 動(dòng)按鈕被釋放時(shí)，繼電器線圈因自鎖觸點(diǎn)而保持得電，該觸點(diǎn)提 供了一條電流通

45、路，從l1出發(fā)，經(jīng)過常閉型停止按鈕、自鎖觸 點(diǎn)、線圈（m）、溫控過載繼電器，回到l2。當(dāng)停止按鈕被按下， 電路斷開導(dǎo)致線圈失電。7.4.2 主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動(dòng)另一種起動(dòng)方式稱之為主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動(dòng)，該方 法采用大電阻串聯(lián)在電機(jī)的主電路中，以減小電機(jī)起動(dòng)電流。通 常，連接到電源線的電阻是逐步減小的，直到全電壓被施加到電 機(jī)上，因此，根據(jù)串聯(lián)電阻的大小，起動(dòng)電流被降低；根據(jù)電流 的大小，起動(dòng)力矩也被降低。圖7.8所示為用于控制三相電機(jī)的主電路（串聯(lián)）電阻降壓 起動(dòng)。lhree-phaisc)|rei 幻 of瞿blthermal ten® rd* gegd cftil 口

46、 lidlys/conuccihree-pham?ii-3)圖7.8主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動(dòng)當(dāng)起動(dòng)按鈕被按下，線圈（s）和線圈（tr）得電，起動(dòng)觸 點(diǎn)將閉合，電壓通過主電路電阻施加到電機(jī)上，這些電阻降低了 起動(dòng)電流。一旦延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間一過，觸點(diǎn) tr閉合，運(yùn) 行觸點(diǎn)r將閉合，將全電壓施加到電機(jī)上。7.4.3 主電路（串聯(lián)）電抗器降壓起動(dòng)與主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動(dòng)相似的另一種電機(jī)起動(dòng)方法 是：主電路（串聯(lián)）電抗器降壓起動(dòng)。在電阻的位置上采用電抗 器（線圈）代替，因?yàn)殡娍蛊鲝慕涣麟娫茨抢锵妮^少的能量。 通常，該方法更適用于額定值超過 600v的大電機(jī)。7.4.4 自耦變壓器降壓起動(dòng)自耦

47、變壓器降壓起動(dòng)是另一種用于電機(jī)起動(dòng)的方法，該方法 使用一個(gè)或多個(gè)自耦變壓器去控制施加到電機(jī)上的電壓， 所采用 的自耦變壓器通常是抽頭式的，以提供一段起動(dòng)電流的調(diào)控范 圍。當(dāng)電機(jī)加速到正常轉(zhuǎn)速附近時(shí)，自耦變壓器從電路中去除。 該方法的主要缺點(diǎn)是自耦變壓器的成本較高。自耦變壓器降壓起動(dòng)電路如圖7.9所示。這是一種造價(jià)昂貴 的控制方式，使用了三個(gè)自耦變壓器和四個(gè)繼電器。圖7.9三相電機(jī)的自耦變壓器降壓起動(dòng)電路當(dāng)起動(dòng)按鈕被按下，電流流過線圈（1s）、（2s）和（tr）, 1s和2s觸點(diǎn)閉合，電壓通過自耦變壓器繞組施加到三相電機(jī)上。 一個(gè)常閉和一個(gè)常開觸點(diǎn)受延時(shí)繼電器 （tr）的控制，當(dāng)設(shè)定的 延時(shí)周期

48、一過，常閉的tr觸點(diǎn)將會(huì)打開，而常開的tr觸點(diǎn)將會(huì) 閉合，線圈（r）得電，使得常開r觸點(diǎn)閉合，施加全電壓到三 相電機(jī)。常閉r觸點(diǎn)與線圈（1s）、（2s）和（tr）串聯(lián)，線圈（r） 得電時(shí)，常閉r觸點(diǎn)斷開線圈（1s）、（2s）和（tr）的電路。當(dāng) 停止按鈕按下，流過線圈（r）的電流被中斷，則斷開電源與電 機(jī)的連接。注意：在圖7.9中，使用了自耦變壓器的65%b抽頭。還有 以下抽頭：50% 80哧口 100%用于為降低電機(jī)起動(dòng)電流提供更 大的靈活性。7.4.5 星-三角起動(dòng)采用星-三角起動(dòng)可能是更為經(jīng)濟(jì)的三相電機(jī)起動(dòng)方法，因i-為在星形配置下，線電壓除以1.73 （或中3）等于相電壓，采 用星形接

49、法而不是三角形接法來降低起動(dòng)電流是可能的。如圖 7.10所示，該方法采用切換接法：在起動(dòng)階段，電機(jī)定子繞組 配置成星形接法，在運(yùn)行階段，配置成三角形接法。在這種方法 中，起動(dòng)電流得以降低，盡管啟動(dòng)力矩也降低了，但是運(yùn)行力矩 依然很高，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)定子以三角形連接時(shí)，全電壓跨接到每一 個(gè)繞組上。thme-ph 咖 powerto supplyli l2 l,swpii2mlm2mitit卜tr丁加牌relay圖7.10三相電機(jī)星-三角起動(dòng)電路當(dāng)圖7.10中的起動(dòng)按鈕被按下，線圈（s）得電，常開的s 觸點(diǎn)則閉合，這一動(dòng)作將電機(jī)繞組連接成星形連接，同時(shí)激活延 時(shí)繼電器（tr）和線圈（1m,常開的1m觸

50、點(diǎn)則閉合，向星形連 接的電機(jī)繞組供電。當(dāng)延時(shí)周期一到，tr觸點(diǎn)改變狀態(tài)，線圈 （s）失電，而線圈（2m得電，那么，保持電機(jī)繞組構(gòu)成星形 連接的s觸點(diǎn)斷開，2m觸點(diǎn)閉合，使得電機(jī)繞組構(gòu)成三角形連 接。電機(jī)以定子繞組為三角形連接的方式繼續(xù)運(yùn)行。7.4.6直流起動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)楫?dāng)直流電機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，沒有反電動(dòng)勢，所以，直流電 機(jī)具有很大的起動(dòng)電流，因此，直流電機(jī)必須采用某種類型的控 制系統(tǒng)以降低啟動(dòng)電流，例如串聯(lián)電阻的方法，可以采用手動(dòng)或 自動(dòng)的方式減小電阻，直至全電壓施加到電機(jī)上。常用于直流電 機(jī)的四種控制系統(tǒng)為：電流限制；時(shí)間限制；cemf變 電壓。電流限制方法使起動(dòng)電流降低到一個(gè)指定的水平，然后增

51、大的下一級電阻水平。限定時(shí)間方法使電機(jī)在指定的時(shí)間間隔內(nèi) 增大轉(zhuǎn)速，不考慮電樞電流數(shù)值或電機(jī)的轉(zhuǎn)速。cemft法對電 機(jī)電樞產(chǎn)生的cem啜值進(jìn)行采樣，以相應(yīng)地減小串聯(lián)的電阻， 因?yàn)閏em百直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞電流成比例，所以該方法能 有效地加以應(yīng)用。變電壓方法采用一個(gè)可變的直流電源最初向電 機(jī)施加一個(gè)降低的電壓，接著逐漸提高該電壓，當(dāng)采用變電壓方 法時(shí)，不需要串聯(lián)電阻。7.5 正、反轉(zhuǎn)控制多數(shù)電機(jī)可以通過簡單的修改它們繞組連線的方式使其反 轉(zhuǎn)。通常，電機(jī)需要兩個(gè)磁接觸器來完成正、反轉(zhuǎn)操作，這些接 觸器與一組三按鈕開關(guān)配合使用：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止按鈕。當(dāng)正 轉(zhuǎn)按鈕開關(guān)被按下時(shí)，正轉(zhuǎn)接觸器得電。當(dāng)停

52、止按鈕開關(guān)被按下 時(shí)，接觸器線圈失電。在反向運(yùn)行時(shí)，也是同樣的步驟。7.5.1 直流電機(jī)反轉(zhuǎn)直流電機(jī)通過變換電樞繞組與電源的連接或勵(lì)磁繞組與電 源連接實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。圖7.11所示為一直流并勵(lì)電機(jī)的控制電路。當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕被按下，線圈（f）得電，使f觸點(diǎn)閉合，電樞電路 通路完成：從l1,經(jīng)低位f觸點(diǎn)，向上通過電樞，經(jīng)上位 f觸 點(diǎn)，回到l2。按下停止按鈕，使線圈（f）失電。當(dāng)反轉(zhuǎn)按鈕按下時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向就會(huì)反向，這是因?yàn)殡姌?電流方向放生了改變。按下反轉(zhuǎn)按鈕，線圈（r）得電，觸點(diǎn)r 均閉合，電樞電流通路從l1,經(jīng)上位r觸點(diǎn)，向下通過電樞，而r觸點(diǎn)，回到l2。按下停止按鈕使線圈（r）失電。7.5.2 單相

53、感應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)單相交流感應(yīng)電機(jī)具有起動(dòng)和運(yùn)行繞組，通過采用圖 7.11 所示電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)反向。電路修改為：用運(yùn)行繞組替換掉并 勵(lì)磁場繞組，用起動(dòng)繞組替換掉電樞繞組。單相感應(yīng)電機(jī)通過改 變啟動(dòng)繞組或者是運(yùn)行繞組的連接實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是不能同時(shí)改變 兩者的連接。cqnlrol同盯*7.5.3三相感應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)三相感應(yīng)電機(jī)通過簡單調(diào)換任意兩條電源線而實(shí)現(xiàn)反向旋 轉(zhuǎn)，這一調(diào)換改變了施加到電機(jī)的電源相序。 三相感應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn) 的控制電路如圖7.12所示。當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕按下時(shí)，正向線圈將得電，并吸合f觸點(diǎn)。三相 電壓以l1至i t1, l2至i t2和l3至i t3的相序施加到電機(jī)上，使 電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，按下停止按鈕

54、將使正向線圈失電。當(dāng)反轉(zhuǎn)按鈕按 下時(shí)，反向線圈將得電，并吸合 r觸點(diǎn)。三相電壓以 l2至i t2和l3至i t1的相序施加到電機(jī)上，這樣調(diào)換了 到電機(jī)的連線，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。7.6 能耗制動(dòng)l1 至u t3,l1 和 l3這一段繼當(dāng)電機(jī)被斷開電源后，其軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一小段時(shí)間， 續(xù)保持的旋轉(zhuǎn)對于許多應(yīng)用場合來說是不想要的。無論何時(shí)電源 斷開情況下，能耗制動(dòng)是一種使電機(jī)快速停止的方法。當(dāng)電源斷 開時(shí)，電阻就構(gòu)成跨接在電樞兩端的情形，這使電樞相當(dāng)于一個(gè) 帶負(fù)載的發(fā)電機(jī)，這使電機(jī)的轉(zhuǎn)速立刻下降。這種能耗制動(dòng)方法 如圖7.13所示。dc shuru motor圖7.13用于直流并勵(lì)電機(jī)的能耗制動(dòng)電路交流感

55、應(yīng)電機(jī)可以通過在電機(jī)繞組兩端跨接一個(gè)直流電壓 的方法快速慢下來，該直流電壓建立一個(gè)恒定的磁場，該磁場使 轉(zhuǎn)子快速慢下來。一個(gè)用于單相交流感應(yīng)電機(jī)的能耗制動(dòng)電路如 圖7.14所示。ac induciiortmol or圖7.14用于單相交流感應(yīng)電機(jī)的能耗制動(dòng)電路第八章用于控制的傳感8.1 引言（導(dǎo)論）在反饋控制系統(tǒng)中，控制對象（ plant ）的響應(yīng)被測 量并與一個(gè)參考輸入進(jìn)行比較，該誤差被用于控制該對象?？梢酝瞥觯簻y量系統(tǒng)是任何反饋控制的重要部分， 構(gòu)成了控制對象與控制器之間的重要聯(lián)系。許多工程應(yīng)用也需要用到測量，然而，在控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，測量 過程必須是自動(dòng)的。一個(gè)典型的測量系統(tǒng)是由一個(gè)或多

56、個(gè)傳感器-變送 器單元以及相關(guān)的信號調(diào)理裝置組成（見圖8.1） o濾波是為了去除不想要的噪聲和放大增強(qiáng)所需要的信號，可以看作是信號調(diào)整，模數(shù)轉(zhuǎn)換（adc）、數(shù)模轉(zhuǎn)換（dac）、調(diào)制（modulation ）、解調(diào)（demodulation ）都是信號調(diào) 理的方法。注意：信號調(diào)節(jié)可以看作是信號調(diào)整標(biāo)題下 的。盡管數(shù)據(jù)保存是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必不可少的功能之一，但是，并不是反饋控制系統(tǒng)得重要功能。 正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在本書中，我們將不對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝 置進(jìn)行深入的探討。在多路測量環(huán)境中，在信號調(diào)整之 前或之后使用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，為了在某一時(shí)刻從一組數(shù)據(jù)通道中選擇一個(gè)被測信號用于后續(xù)處理。以這種方 式

57、，一套昂貴的硬件可以分時(shí)用于幾個(gè)信號。盡管在數(shù) 字控制應(yīng)用場合，直接數(shù)字變送器逐漸盛行，但是傳感 器-變送器裝置主要是模擬器件，用于產(chǎn)生模擬信號。 當(dāng)使用模擬變送器時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換被用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以用于數(shù)字控制。這一信號調(diào)理處理要求 以離散時(shí)間點(diǎn)對模擬信號進(jìn)行采樣。一旦一個(gè)數(shù)值被采樣，該數(shù)值就被編碼成數(shù)字表示，例如普通的二進(jìn)制碼、gray碼、二進(jìn)制-十進(jìn)制碼（bcd ）或美國信息交換標(biāo) 準(zhǔn)碼（ascii ） o因模擬信號的瞬變特性而產(chǎn)生的模擬信 號變化不應(yīng)影響到adc過程。為了保證這一點(diǎn)，在每一個(gè)采樣周期中需要一個(gè)采樣保持操作。例如，在每個(gè) 采樣周期一開始，模擬信號的值被檢測到（采樣），并 假定在整個(gè)采樣周期內(nèi)為常數(shù)（保持）。事實(shí)上，這就 是零階保持操作。為了保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，多路 轉(zhuǎn)換、采樣和數(shù)字化等操作必須在一個(gè)精確計(jì)時(shí)器件（時(shí)鐘）的控制下完全同步。其流程如圖8.2所示。所有在測量流程中起輔助作用的器件可以看作是 測量系統(tǒng)的部件。針對一個(gè)具體的應(yīng)用或者是設(shè)計(jì)一個(gè)新的部件，對可獲得的部件進(jìn)行選擇，主要依賴于這些部件的性能說明書和設(shè)計(jì)任務(wù)說明書。絕大多數(shù)由制造商提供的器件的額定參數(shù)是靜態(tài)參數(shù)。然而，在控制應(yīng)