電氣自動化專業(yè)英語第六,七,八章翻譯

1、第六章的參考譯文：僅供參考，不恰當(dāng)?shù)牡胤?，請自行修改補(bǔ)充，歡迎通過Email（qiulk）進(jìn)行討論和交流。? 6.1?直流電動機(jī)的類型? 市場上可購買到的電動機(jī)基本上分為四種類型：永磁直流電機(jī)；串勵直流電機(jī)；并勵直流電機(jī)；復(fù)勵直流電機(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)通常采用鋁鎳鈷合金或陶瓷永

2、磁體，而不是勵磁線圈。鋁鎳鈷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?串勵直流電機(jī)? 直流電機(jī)電樞和勵磁電路的接線方式?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)電壓源，而電動機(jī)是一個(gè)機(jī)

3、械能轉(zhuǎn)換裝置。? 串勵直流電機(jī)，如圖6.2所示，其電樞和勵磁電路以串聯(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。由于大電流流過勵磁線圈，所以串勵電機(jī)可產(chǎn)生大力矩輸出。串勵電機(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)用是汽車啟動電機(jī)。? 6.1.3?并勵直流電機(jī)? 并勵直流電機(jī)比其它類型的直流電機(jī)應(yīng)用更廣。如圖6.3所示，并勵電機(jī)的勵磁

4、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。由于勵磁繞組是并勵電機(jī)的高阻并聯(lián)電路，所以，流經(jīng)勵磁繞組的電流較小。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%）的并勵電機(jī)電流 是流過電樞電路的（意味著只有約5%的電流流過勵磁電路，也就是說該電流的大小變化不是很大，對磁場強(qiáng)度的影響就會很?。Ｒ?yàn)閯畲烹娏鲗Υ艌鰪?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。流過并勵電機(jī)的電流關(guān)系如下所示：IL=Ia+If 其中，IL-是從電源流出的總電流；Ia是電樞電流；If是勵磁電流。 勵磁電流可以通過

5、在勵磁繞組電路上串聯(lián)一個(gè)可變電阻而改變，因?yàn)閯畲烹娏骱苄?，所以采用一個(gè)低功率的變阻箱，通過勵磁電阻的改變以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)勵磁電阻增大時(shí)，勵磁電流減小。勵磁電流減小，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)用勵磁變阻箱的方法，直流并勵電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以很容易地發(fā)生變化。 并勵繞線式直流電機(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)床均由直流并勵電機(jī)所驅(qū)動。 6.1.4 復(fù)勵繞線式直流電機(jī) 復(fù)勵繞

6、線式直流電機(jī)如圖6.4所示，擁有兩組勵磁繞組，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)合了串勵電機(jī)和并勵電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)勵電機(jī)的連接方式有兩種：積復(fù)勵和差復(fù)勵。積復(fù)勵直流電機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)勵磁線圈是互相增強(qiáng)的，而差復(fù)勵直流電機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)勵磁線圈是互相減弱的。串聯(lián)勵磁線圈的放置位置有兩種方式，一種方式稱之為短并勵（如圖6.4所示），在這種方式中，并勵勵磁線圈直接跨接在電樞繞組兩端；而在長并勵方式中，并勵勵磁線圈跨接在電樞繞組和串聯(lián)勵磁線圈的兩端（如圖6.4所示）。 復(fù)勵電機(jī)具有與串勵電機(jī)相似的大力矩特點(diǎn)，同時(shí)也具有與并勵電機(jī)相似的良好的速度調(diào)節(jié)特性的特點(diǎn)。因此，當(dāng)需要大力矩和良好速度調(diào)節(jié)特性時(shí)

7、，可以選用復(fù)勵直流電機(jī)。復(fù)勵直流電機(jī)的缺點(diǎn)是它的成本較高。 6.2 直流電機(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?；谇懊娴挠懻?，有三種類型的直流電機(jī)：并勵、積復(fù)勵和串勵。積復(fù)勵電機(jī)前面加了一個(gè)“積”字，用以強(qiáng)調(diào)所串聯(lián)的勵磁線圈的方式確保串勵磁通是增強(qiáng)并勵磁通的。不象串勵發(fā)電機(jī)那樣，串勵電機(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P墨?！保?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

8、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

9、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Wm是穩(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?？量痰墓ぷ?，因?yàn)槠涓叨鹊撵`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，通過對并勵勵磁線圈的特殊設(shè)計(jì)，可以輕松得到超過4:1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磁電路直流能量

10、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。 6.3 直流電動機(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铍姍C(jī)運(yùn)行在恒定的磁通下，式T

11、=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。

12、 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。 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

13、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。 基于上述討論，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、復(fù)勵和串勵電機(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)。對于并勵直流電機(jī)來說，速度方程可以記作： （6.6） 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)

14、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： （6.7） 當(dāng)速度方程應(yīng)用于積復(fù)勵電機(jī)時(shí)，其形式為： （6.8） 將其與并勵電機(jī)的類似表達(dá)式比較可以得出兩點(diǎn)不同：1）分子項(xiàng)中包含除電樞繞組之外的串勵勵磁繞組的電壓降；2）分母項(xiàng)增加串勵磁通量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

15、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)勵電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率大于并勵電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率。圖6.7圖示地描述了該信息。 串勵電機(jī)的速度-力矩特性情況有很大的不同，因?yàn)樗鼪]有并勵的勵磁繞組。牢記：在串勵電機(jī)中，磁場磁通的建立完全來自電樞電流流過串勵勵磁線圈。那么，據(jù)此而論，串勵電機(jī)的速度方程變?yōu)椋?（6.9） 其中 表示一個(gè)新的比例因子，使得 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，將會導(dǎo)致危險(xiǎn)的高

16、速旋轉(zhuǎn)（俗稱“飛速”），因?yàn)殡姌须娏骱苄?。在如此高速旋轉(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：串勵電動機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械相連時(shí)，不允許采用皮帶等容易發(fā)生滑脫的傳動機(jī)構(gòu)，而應(yīng)采用齒輪或直接聯(lián)軸器來拖動） 因?yàn)樵诖畡铍姍C(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： （6.10） 因此，對串勵電機(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)系的并勵電機(jī)是相反的（是非線性關(guān)系）。當(dāng)然，復(fù)勵電機(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)串勵電機(jī)做出反應(yīng)以產(chǎn)生大的力

17、矩時(shí)，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地下降了。正是這種能力，使得串勵電機(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)列寫如下，其中有一處修改： （6.11） 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： 、 和 。最簡單的方法是調(diào)節(jié) ，采用如圖6.5所示的勵磁變阻箱，如果勵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。一般用途的并勵直流電機(jī)通過此種速度控制方法實(shí)現(xiàn)200%的額定轉(zhuǎn)速控制。然而，因?yàn)槿趸舜?/p>

18、場磁通，高速時(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 ，其連接在電樞電路上，如圖6.8所示。該電阻的尺寸和成本遠(yuǎn)大于勵磁變阻箱的尺寸和成本，因?yàn)?必須能夠應(yīng)付全部的電樞電流。式子（6.11） 表明：電阻 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%的大小來選擇。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 兩端將有一半的終端電壓降，相應(yīng)地，約50%的電網(wǎng)輸入能量在電阻 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)常會用到，尤其是對于串勵直流電機(jī)。 第三種也是最后一種速度控制方法是調(diào)整終端電壓

19、。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)樾枰?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，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)。 6.4 三相感應(yīng)電動機(jī) 感應(yīng)電機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是它是一個(gè)單勵電機(jī)。雖然此類電機(jī)具有一個(gè)勵磁繞組和一個(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，即勵磁繞組。通過電磁感應(yīng)，電流流過電樞繞組，這就形成了載流導(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

20、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)致了定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢相對靜止【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)是其為雙邊勵磁裝置，除了用作磁阻電動機(jī)（凸極無勵同步電動機(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)楦袘?yīng)電機(jī)是單邊勵磁的，所以，勵磁電流和做功電流從同一線路中流過是必須的。而且

21、，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)量的勵磁電流用來建立所需的每一磁極的磁通。通常情況下，三相感應(yīng)電機(jī)的勵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；在額定功率輸出附近，功率因數(shù)略小于1。 控制器的基本功能是提供正確的啟動、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）限制啟動力矩。過大的啟動力矩會損壞某些連接到電機(jī)軸上的負(fù)載。例如，風(fēng)扇葉片會折斷，或存在間隙的齒輪傳動 箱會斷齒?？刂破髟趩訒r(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）限制啟動電流。

22、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，因?yàn)檫@樣會造成過大的啟動電流。回想一下：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。大啟動電流很令人討厭，因?yàn)闀斐呻姛糸W爍、可能使其他相連的電機(jī)停轉(zhuǎn)。降壓啟動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%額定功率的話，電機(jī)會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

23、所允許的值，就會造成損壞。保持溫升在安全范圍之內(nèi)是電機(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)自動地與三相電源斷開連接。 6.5 三相感應(yīng)電動機(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。 （6.12） 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-

24、每相電樞繞組電流 當(dāng)電機(jī)運(yùn)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%時(shí)，公式（6.13）表明電機(jī)電流的增長幾乎為線性。 （6.13） 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 等于轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)角 ，即： （6.13） 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 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)差率繼續(xù)增加會導(dǎo)致

25、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。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)生的力矩為啟動力矩。圖6.9所示的情況表明：此種電機(jī)的啟動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： （6.15） 對應(yīng)的氣隙功率為： （6.16） 這里，q-為電樞繞組的相數(shù) 令

26、人感興趣的是提高靜止時(shí)的銅損會帶來更高的啟動力矩。 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電流，額定功率超過2.38Kw的電機(jī)通常采用降壓啟動的方法啟動，當(dāng)然，在降壓啟動方式下，啟動力矩也會減小。事實(shí)上，如果啟動時(shí)采用50%額定電壓的話，那么，由公式（6.16）可以清楚地得出：啟動力矩只有全壓情況下的四分之一。 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)載

27、。然而，不能連續(xù)輸出最大負(fù)載，因?yàn)檫^大的電流會損壞電機(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電阻 時(shí)，氣隙功率最大。應(yīng)用最大功率傳輸定律于等效電路，可得如下結(jié)果： （6.17） 即，當(dāng)氣隙電阻 等于電源的輸出阻抗時(shí)，最大功率傳輸?shù)綒庀峨娮?上。因此，在最大力矩處的轉(zhuǎn)差率Sm由下面公式推出： （6.18） 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)成以最大力矩作為啟動力矩，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： （

28、6.19） 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?，請自行修改補(bǔ)充，歡迎通過Email（qiulk）進(jìn)行討論和交流。 第七章 電機(jī)控制系統(tǒng) 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)。 7.1 控制符號 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。 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

29、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)。 7.2.2 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、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，

30、在實(shí)際應(yīng)用中會有一些變化。一個(gè)常閉型按鈕是閉合的，直到其被手動按下，當(dāng)其被按下時(shí)，將會斷開一個(gè)電路；常開型按鈕是斷開的，直到其被手動按下，一旦被按下，將會閉合一個(gè)電路。電機(jī)控制臺的“起動”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） 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觸點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸被旋轉(zhuǎn)到不同位置時(shí)，這些可動觸點(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

31、轉(zhuǎn)動轉(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)動改變電氣控制電路的運(yùn)行。機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生的電氣控制電流用于限制機(jī)床的運(yùn)動，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，它們常常被用于液壓和氣動控制、電氣繼電器或其他電機(jī)驅(qū)動的機(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，要么

32、歸因于凸輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這些運(yùn)動施加力到限位開關(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)動的一段距離。在限位開關(guān)使用的機(jī)器裝置中，預(yù)行程和過 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 swit

33、ch） 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)動的，依賴于媒介，例如空氣，的吸入和排出，其動作發(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)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)

34、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)起動控制 一個(gè)電機(jī)起動裝置是一類電機(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。在電機(jī)起動設(shè)計(jì)中有多種變化，最簡單是手動操作串聯(lián)在一根或多根電源線上的開關(guān)進(jìn)行起動。該類型的起動通常用于小型電機(jī)，其不會產(chǎn)生過大的起動電流。 一種類型的電機(jī)起動裝置是磁起動器，利用電磁原理斷開或閉合電機(jī)的電源電路。通常，電機(jī)的起動裝置和起動控制設(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

35、大面積分散，所以很容易連接到電源系統(tǒng)。 幾種電機(jī)起動器用于電機(jī)的控制，起動器的功能根據(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) 一些起動器通過直接連接電源線的方式控制電機(jī)，另一些起動器降低起動時(shí)施加到電機(jī)上的電壓水平，從而降低了起動電流。通常，電機(jī)過載保護(hù)也包含在電機(jī)起動器的機(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)動電機(jī)的起動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。但這些動作發(fā)生時(shí)，

36、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)動下結(jié)合在一起，結(jié)果，此時(shí)釋放起動按鈕不會使接觸器線圈失電，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

37、簡要解釋如圖7.4所示。按下起動按鈕，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)锳C電壓通過觸點(diǎn)施加到電機(jī)上，在起動按鈕釋放后，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

38、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。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

39、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)帶有可動鐵心的電磁線圈，可動鐵心由磁性材料構(gòu)成。有時(shí)，鐵心或活塞連在 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，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

40、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)繼電器是電動的，用于必須提高可靠性或操作快速型的場合，一般電磁繼電器長期使用后會損壞，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、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)繼電器是氣動式的，氣動式延時(shí)繼電器的運(yùn)行取決于腔體內(nèi)空氣的運(yùn)動，空氣運(yùn)動受可調(diào)小孔的控制，該孔用于調(diào)節(jié)通過腔體的空氣運(yùn)動速度，氣流速度決定了膜片或活塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度，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

41、從繼電器活動到連接其上的負(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)動式定時(shí)器等。延時(shí)繼電器對于循序操作很有用，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)起動系統(tǒng) 電機(jī)起動系統(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，所使用的起動控制設(shè)備被置于電源和電機(jī)之間。在起動過程中，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)起動設(shè)備常用于減小起動電流到電源系統(tǒng)能夠處理的水平。 7.4.1 全壓起動（直接起動） 一種起

42、動方法稱為全壓起動，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)必須能夠承受電機(jī)所流過的起動電流。 全壓起動電路如圖7.7所示。 圖7.7 三相電機(jī)全壓起動電路 在這個(gè)電機(jī)控制電路中，起動-停止按鈕用于控制三相電機(jī)，當(dāng)常開的起動按鈕被按下，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

43、。 7.4.2 主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動 另一種起動方式稱之為主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動，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，起動電流被降低；根據(jù)電流的大小，起動力矩也被降低。 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。 圖7.8 主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動 當(dāng)起動按鈕被按下，線圈（S）和線圈（TR）得電，起動觸點(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

44、.4.3主電路（串聯(lián)）電抗器降壓起動 與主電路（串聯(lián)）電阻降壓起動相似的另一種電機(jī)起動方法是：主電路（串聯(lián)）電抗器降壓起動。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 自耦變壓器降壓起動是另一種用于電機(jī)起動的方法，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電路如圖7.9所示。這是一種造價(jià)昂貴的

45、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電路 當(dāng)起動按鈕被按下，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)周期一過，常閉的TR觸點(diǎn)將會打開，而常開的TR觸點(diǎn)將會閉合，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

46、，使用了自耦變壓器的65%處抽頭。還有以下抽頭：50%、80%和100%，用于為降低電機(jī)起動電流提供更大的靈活性。 7.4.5 星-三角起動 采用星-三角起動可能是更為經(jīng)濟(jì)的三 相電機(jī)起動方法，因?yàn)樵谛切闻渲孟拢€電壓除以1.73（或 ）等于相電壓，采用星形接法而不是三角形接法來降低起動電流是可能的。如圖7.10所示，該方法采用切換接法：在起動階段，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，起動電流得以降低，盡管啟動力矩也降低了，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。 圖7.10 三相電機(jī)星-三角起動電路 當(dāng)圖7.10中的起

47、動按鈕被按下，線圈（S）得電，常開的S觸點(diǎn)則閉合，這一動作將電機(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 直流起動系統(tǒng) 因?yàn)楫?dāng)直流電機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，沒有反電動勢，所以，直流電機(jī)具有很大的起動電流，因此，直流電機(jī)必須采用某種類型的控制系統(tǒng)以降低啟動電流，例如串聯(lián)電阻的方法，可以采用手動或自動的方式減小電阻，直至全電壓施加到

48、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電流降低到一個(gè)指定的水平，然后增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。CEMF方法對電機(jī)電樞產(chǎn)生的CEMF數(shù)值進(jìn)行采樣，以相應(yīng)地減小串聯(lián)的電阻，因?yàn)镃EMF與直流電機(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

49、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)方向就會反向，這是因?yàn)殡姌须娏鞣较蚍派烁淖?。按下反轉(zhuǎn)按鈕，線圈（R）得電，觸點(diǎn)R均閉合，電

50、樞電流通路從L1，經(jīng)上位R觸點(diǎn)，向下通過電樞，經(jīng)下位R觸點(diǎn)，回到L2。按下停止按鈕使線圈（R）失電。 7.5.2 單相感應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn) 單相交流感應(yīng)電機(jī)具有起動和運(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)行繞組替換掉并勵磁場繞組，用起動繞組替換掉電樞繞組。單相感應(yīng)電機(jī)通過改變啟動繞組或者是運(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。 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到T

51、1，L2到T2和L3到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L1到T3，L2到T2和L3到T1的相序施加到電機(jī)上，這樣調(diào)換了L1和L3到電機(jī)的連線，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。 7.6 能耗制動 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，這一段繼續(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。這種能耗制動方法如圖7.13所示。 圖7.13 用于直流并勵電機(jī)的

52、能耗制動電路 交流感應(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)的能耗制動電路如圖7.14所示。 圖7.14 用于單相交流感應(yīng)電機(jī)的能耗制動電路 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。可以推出：測量系統(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的。 一個(gè)典型的測量系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)傳感器-變送器單元

53、以及相關(guān)的信號調(diào)理裝置組成（見圖8.1）。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，一套昂貴的硬件可以分時(shí)用于幾個(gè)信號。

54、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）。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

55、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)用領(lǐng)域，動態(tài)性能指標(biāo)也很重要。 當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)元件相連時(shí)，在整個(gè)系統(tǒng)中單個(gè)元件的性能，與每個(gè)元件單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的性能相比，相差很大。在多元件系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)性能和精度，元件匹配，尤其是元件的阻抗特性，必須認(rèn)真地處理。 8.2

56、傳感器與變送器 被測的輸出量（或響應(yīng)）稱為被測量。這樣的例子有：車輛的速度和加速度、過程對象的溫度和壓力、電路中的電流。一個(gè)測量裝置在測量一個(gè)信號時(shí)，要經(jīng)過兩個(gè)階段，第一，被測量被感知，接著，被測信號被變送（或轉(zhuǎn)換）成適宜于傳送、信號調(diào)理、處理、或驅(qū)動一個(gè)控制器和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的形式。正因如此，變送階段的輸出通常是一個(gè)電氣信號。被測量通常是一個(gè)模擬信號，因?yàn)樵诜答伩刂茟?yīng)用中，它通常代表著一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)的輸出。在直接數(shù)字變送器（傳感器）中，其輸出是離散的，這有利于傳感器與數(shù)字處理器之間的直接接 口。 一個(gè)典型傳感器（測量裝置）的傳感和變送階段如圖8.3（a）所示。例如，考慮一個(gè)壓電式加速度計(jì)的運(yùn)行過程（

57、見圖8.3（b）。在這個(gè)例子中，加速度是被測量。它先通過質(zhì)量單元轉(zhuǎn)換成慣性力，并施加到壓電晶體上，在其（壓電晶體）內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變（應(yīng)力）。這一階段可以看作是傳感階段。應(yīng)力在壓電晶體的內(nèi)部產(chǎn)生電荷，在加速度計(jì)的輸出端呈現(xiàn)為一個(gè)電信號。這一應(yīng)力到電荷或應(yīng)力到電壓的轉(zhuǎn)換階段，可以看作是傳感器的變送階段。 一個(gè)復(fù)雜的傳感器（測量裝置）可以有一個(gè)以上的傳感階段。更常見的是，在被測信號適宜于控制和執(zhí)行應(yīng)用之前，被測信號經(jīng)歷了幾個(gè)變送階段。傳感器和變送器階段均為功能級，而且在有的時(shí)候，不易甚至不能區(qū)分與其相連的物理原理。另外，在使用現(xiàn)有裝置（傳感器）時(shí)，這種階段劃分并不重要。然而，在設(shè)計(jì)新的測量儀器是，恰當(dāng)?shù)?/p>

58、劃分傳感器和變送器階段（物理地和功能地）是至關(guān)重要的。 在一些書籍中，信號調(diào)理裝置也劃為變送器，例如，電子放大器。由于我們將信號調(diào)理從測量裝置（傳感器）中分離出來，在本書中，盡可能地避免那種統(tǒng)一的分類方法。取而代之，術(shù)語變送器主要應(yīng)用于測量儀器。然而，遵循這個(gè)慣例，傳感器和變送器可以互換使用，用于表示測量儀器。 8.3 用于運(yùn)動測量的模擬傳感器 8.3.1 引言/導(dǎo)論/簡介 對反饋控制來說，被控對象輸出的測量是基本的。輸出測量在過程的性能評價(jià)中也很有用。而且，在學(xué)習(xí)系統(tǒng)（例如，機(jī)械手的示教-重現(xiàn)操作）中，進(jìn)行測量并將測量結(jié)果存儲在計(jì)算機(jī)中，用于隨后的系統(tǒng)運(yùn)行。在前饋控制中，需要對輸入量進(jìn)行測量

59、。因此，很明顯，測量子系統(tǒng)是一個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分。 控制系統(tǒng)的測量子系統(tǒng)包含傳感器和變送器，它們檢測被測量并將被測量轉(zhuǎn)換成可接受的信號通常是電壓信號。接著，這些電壓信號被適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，所用的信號調(diào)理硬件有濾波器、放大器、解調(diào)器和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。傳感器和變送器與信號調(diào)理硬件之間的連接，阻抗匹配是必須的。 傳感器、變送器和輔助信號調(diào)理裝置的精度在控制系統(tǒng)應(yīng)用是重要的，主要有兩個(gè)原因。反饋控制系統(tǒng)的測量系統(tǒng)位于控制系統(tǒng)的反饋回路，盡管在開環(huán)系統(tǒng)中，測量可用于補(bǔ)償不良特性，但測量本身的誤差會直接進(jìn)入系統(tǒng)，如果誤差未知，則無法校正。而且，可以看出，控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性在測量系統(tǒng)中是直接的，與開路部件敏感性情形不同，這種敏感性不能通過增大回路增益方法進(jìn)行減小。因而，對反饋控制系統(tǒng)來說，其設(shè)計(jì)策略是使測量非常精確，并 采用合適的控制器降低其它類型的誤差。 在反饋控制應(yīng)用中，大多數(shù)傳感器-變送器裝置是產(chǎn)生模擬信號的模擬部件。即使是在實(shí)時(shí)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，也是如此。然而，當(dāng)模擬變送器應(yīng)用在數(shù)字控制場合時(shí)，為了獲得被測信號的數(shù)字表示，必須采用某種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換。所獲得的數(shù)字信號應(yīng)用數(shù)字方法進(jìn)行后續(xù)調(diào)理和處理。 在傳感階段，被測信號可以看作是“