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?，請自行修改補充，歡迎通過Email（qiulk）進行討論和交流。? 6.1?直流電動機的類型? 市場上可購買到的電動機基本上分為四種類型：永磁直流電機；串勵直流電機；并勵直流電機；復(fù)勵直流電機。因其電路布局和物理性質(zhì)，使得每一種電機具有不同的特點。? 6.1.1?永磁直流電機? 永磁直流電機，如圖6.1所示，其結(jié)構(gòu)與相對應(yīng)的直流發(fā)電機的結(jié)構(gòu)相同。永磁直流電機用于低力矩的應(yīng)用場合。當(dāng)使用此種電機時，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，永磁直流電機的轉(zhuǎn)子是一個繞線式電樞。? 該類型電機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。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的機殼上，并在電樞繞組插入之前進行磁化。? 永磁直流電機與傳統(tǒng)的直流電機相比有幾個優(yōu)點，一個優(yōu)點是降低了運行成本；永磁電機的速度特性與并勵直流電機的速度特性相似；永磁電機的旋轉(zhuǎn)方向可以通過調(diào)換兩根電源線而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。? 6.1.2?串勵直流電機? 直流電機電樞和勵磁電路的接線方式?jīng)Q定了電機的基本特性。每一種類型的直流電機具有與之對應(yīng)類型的直流發(fā)電機相似的結(jié)構(gòu)，在多數(shù)情況下，唯一的區(qū)別在于發(fā)電機是作為一個電壓源，而電動機是一個機

3、械能轉(zhuǎn)換裝置。? 串勵直流電機，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。施加到電機軸上電機負(fù)載的變化導(dǎo)致流經(jīng)勵磁線圈的電流發(fā)生變化。如果機械負(fù)載增加，則電流也增大。增大的電流產(chǎn)生一個更強的磁場。串勵電機的轉(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，所以串勵電機可產(chǎn)生大力矩輸出。串勵電機多用于重載和速度調(diào)節(jié)要求低的場合。一個典型的應(yīng)用是汽車啟動電機。? 6.1.3?并勵直流電機? 并勵直流電機比其它類型的直流電機應(yīng)用更廣。如圖6.3所示，并勵電機的勵磁

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)生一個強大的電磁場。? 絕大多數(shù)（約95%）的并勵電機電流 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，對磁場強度的影響就會很?。?。因為勵磁電流對磁場強度影響很小，所以電機轉(zhuǎn)速受負(fù)載電流變化的影響很小。流過并勵電機的電流關(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)一個可變電阻而改變，因為勵磁電流很小，所以采用一個低功率的變阻箱，通過勵磁電阻的改變以改變電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)勵磁電阻增大時，勵磁電流減小。勵磁電流減小，導(dǎo)致電磁場強度的下降。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，直流并勵電機的轉(zhuǎn)速可以很容易地發(fā)生變化。 并勵繞線式直流電機具有非常好的速度調(diào)節(jié)特性。當(dāng)負(fù)載增加時，電機轉(zhuǎn)速有輕微的下降，其原因是電樞兩端電壓降增加。正是因為其良好的速度調(diào)節(jié)特性和易于速度控制的特點，直流并勵電機通常應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用，許多類型的變速機床均由直流并勵電機所驅(qū)動。 6.1.4 復(fù)勵繞線式直流電機 復(fù)勵繞

6、線式直流電機如圖6.4所示，擁有兩組勵磁繞組，一個與電樞串聯(lián)，另一個與電樞并聯(lián)。此種電機結(jié)合了串勵電機和并勵電機的優(yōu)點。復(fù)勵電機的連接方式有兩種：積復(fù)勵和差復(fù)勵。積復(fù)勵直流電機的串聯(lián)和并聯(lián)勵磁線圈是互相增強的，而差復(fù)勵直流電機的串聯(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)勵電機具有與串勵電機相似的大力矩特點，同時也具有與并勵電機相似的良好的速度調(diào)節(jié)特性的特點。因此，當(dāng)需要大力矩和良好速度調(diào)節(jié)特性時

7、，可以選用復(fù)勵直流電機。復(fù)勵直流電機的缺點是它的成本較高。 6.2 直流電機分析 一個直流電機是一個功率流向相反的直流發(fā)電機。在直流電機中，電能被轉(zhuǎn)化成機械能。基于前面的討論，有三種類型的直流電機：并勵、積復(fù)勵和串勵。積復(fù)勵電機前面加了一個“積”字，用以強調(diào)所串聯(lián)的勵磁線圈的方式確保串勵磁通是增強并勵磁通的。不象串勵發(fā)電機那樣，串勵電機有著廣泛地用途，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)部分給予此種電機相當(dāng)?shù)墓P墨?！保?根據(jù)其等效電路、一組性能方程、一個功率流向圖和磁化曲線 ，三種之中的任何一種直流電機的運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行模式的等效電路。例如，對于串勵電機，其恰當(dāng)?shù)牡刃щ娐肥菍D6.5所示等效電路中的Rf去掉。 計算運行性能所需的一組方程如下所示：（式：6.1-6.4，省略） 注意最后的兩個方程做了相應(yīng)的修改，對以下事實做出解釋：對于電動機來說，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)運行速度。從電機所產(chǎn)生的機械功率中去除旋轉(zhuǎn)損失就是（系統(tǒng)的）機械輸出功率。 直流電機經(jīng)常被用來做一些工業(yè)上非?？量痰墓ぷ?，因為其高度的靈活性和易于控制的特點。這些優(yōu)點是其他電磁能量轉(zhuǎn)換裝置所能比擬的。直流電機具有一個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，通過接入一個合適的電樞電路電阻，在啟動時，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，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，能夠控制的電機的尺寸是有限的。 6.3 直流電動機的速度-力矩特性（機械特性） 直流電機如何對施加到電機軸上負(fù)載做出反應(yīng)？直流電機自適應(yīng)地向負(fù)載提供所需能量的機理是什么？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上。為了我們的目標(biāo)，兩個相關(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，唯一所需力矩用于克服旋轉(zhuǎn)損失。因為并勵電機運行在恒定的磁通下，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 項呈現(xiàn)一個較大數(shù)值，反過來使得電流Ia為一個較大的值。從這一點上來說，電機做出反應(yīng)來改正這一情形。大的電樞電流Ia產(chǎn)生一個超過摩擦力和風(fēng)阻的力矩，該力矩將增加轉(zhuǎn)速到一個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情形：當(dāng)一個需要額定力矩的負(fù)載突然施加到電機轉(zhuǎn)軸上。很清楚，因為在這一瞬間，電機所產(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，電機的第一個反應(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。事實上，施加力矩導(dǎo)致電機在某個轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，此時電機的電流足以產(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，達(dá)到一個平衡條件：電磁功率EaIa 等于機械功率TWm。 直流電機與三相感應(yīng)電機的對比表明：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，一個本質(zhì)的區(qū)別在于對于三相感應(yīng)電機來說，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，對于直流電機來說，沒有類似的情形。 基于上述討論，很明顯，直流電機的速度-力矩特性曲線是一個重要的性質(zhì)。圖6.7所示是用于并勵、復(fù)勵和串勵電機的速度-力矩特性的一般形狀。為了便于比較，這些曲線通過了一個共同的額定力矩和額定轉(zhuǎn)速點。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。對于并勵直流電機來說，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的轉(zhuǎn)速變化百分比大致為這一量級。速度變化用一個稱為轉(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)勵電機時，其形式為： （6.8） 將其與并勵電機的類似表達(dá)式比較可以得出兩點不同：1）分子項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，分子項有一個增長，該增長大于并勵電機情況下的增長，而且，與此同時，分母項有所減小，因為當(dāng) 轉(zhuǎn)矩為零時，Phis也為零。兩

15、種因素同時作用使得轉(zhuǎn)速有一個大的增長。因此，積復(fù)勵電機的轉(zhuǎn)速變化率大于并勵電機的轉(zhuǎn)速變化率。圖6.7圖示地描述了該信息。 串勵電機的速度-力矩特性情況有很大的不同，因為它沒有并勵的勵磁繞組。牢記：在串勵電機中，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，串勵電機的速度方程變?yōu)椋?（6.9） 其中 表示一個新的比例因子，使得 可以由電樞電流Ia所代替。當(dāng)額定力矩產(chǎn)生時，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，電樞電流就小于額定值?，F(xiàn)在，由于Ia出現(xiàn)在速度方程的分母項中，顯而易見，轉(zhuǎn)速會有較大的增長。事實上，如果將負(fù)載從電機軸上去除，將會導(dǎo)致危險的高

16、速旋轉(zhuǎn)（俗稱“飛速”），因為電樞電流很小。在如此高速旋轉(zhuǎn)下，離心力能夠輕易地?fù)p壞電樞繞組，正是因為這個原因，串勵電機絕對不允許空載運行（或很輕的負(fù)載運行）。（通常規(guī)定：串勵電動機與生產(chǎn)機械相連時，不允許采用皮帶等容易發(fā)生滑脫的傳動機構(gòu)，而應(yīng)采用齒輪或直接聯(lián)軸器來拖動） 因為在串勵電機中，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)系的并勵電機是相反的（是非線性關(guān)系）。當(dāng)然，復(fù)勵電機則呈現(xiàn)一種介于兩者之間的一種關(guān)系。值得注意的是：當(dāng)串勵電機做出反應(yīng)以產(chǎn)生大的力

17、矩時，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地下降了。正是這種能力，使得串勵電機非常適用于牽引型負(fù)載。 直流電機超越其他類型電機的另一引人注目的優(yōu)點是相對容易地實現(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)的三個參數(shù)之一而實現(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通過此種速度控制方法實現(xiàn)200%的額定轉(zhuǎn)速控制。然而，因為弱化了磁

18、場磁通，高速時（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，因為 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。該方法的主要缺點是運行效率差，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。 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)用靈活性和運行效率的角度來看，該方法是最理想的。但是，因為需要獨立的直流電源，該方法是最昂貴的。該方法意味著必須要買一套電機發(fā)電機組，其容量至少要等于被控電機的容量。這樣的費用通常是不合理的，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 感應(yīng)電機的一個突出優(yōu)點就是它是一個單勵電機。雖然此類電機具有一個勵磁繞組和一個電樞繞組，但是，在正常的使用過程中，電源直接連接在一個繞組上，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【見許實章電機學(xué)229(pdf頁數(shù)，而非頁碼】。結(jié)果，單勵的感應(yīng)電機能夠在任意一個低于同步轉(zhuǎn)速產(chǎn)生力矩。正因為這個原因，感應(yīng)電機被歸為異步電機之列。與其相反，同步電機是一種只能在一個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生凈力矩的機電能量轉(zhuǎn)換裝置【參看許實章電機學(xué)有關(guān)同步電機內(nèi)容】。同步電機的突出特點是其為雙邊勵磁裝置，除了用作磁阻電動機（凸極無勵同步電動機）之外。 三相感應(yīng)電機的突出結(jié)構(gòu)特點在5.3節(jié)中已加以描述。因為感應(yīng)電機是單邊勵磁的，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、，因為在感應(yīng)電機的磁路中存在氣隙，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)電機的勵磁電流大小為額定電流的25-40%。因此，可知感應(yīng)電機運行在輕載情況下，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)，同時不給電機、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2.38千瓦的電機不能直接通過三相電網(wǎng)啟動，因為這樣會造成過大的啟動電流?；叵胍幌拢涸趩挝晦D(zhuǎn)差率下，電流只取決于通常很小的漏磁阻抗，大電機情況下漏磁阻抗更小。大啟動電流很令人討厭，因為會造成電燈閃爍、可能使其他相連的電機停轉(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。所有通用的電機均設(shè)計為連續(xù)輸出滿負(fù)荷而無過熱。然而，如果某種原因造成電機連續(xù)輸出150%額定功率的話，電機會提供所需功率直到在運行過程中燒毀。電機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，對電機來說就沒有危險，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)是電機運行的內(nèi)在要求。因此，提供此種保護也是控制器的功能。通過選用合適的延時繼電器可以實現(xiàn)過載保護，延時繼電器對電機線電流產(chǎn)生的熱很敏感。 （4）提供欠壓保護。長時間降壓運行對電機有害，尤其是當(dāng)負(fù)載需要額定功率時。如果線電壓下降到預(yù)設(shè)值之下時，在控制器作用下，電機自動地與三相電源斷開連接。 6.5 三相感應(yīng)電動機的速度-力矩特性 轉(zhuǎn)矩隨速度或轉(zhuǎn)差率的變化是三相感應(yīng)電機的一個重要特性。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)電機運行在小轉(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，公式（6.13）表明電機電流的增長幾乎為線性。 （6.13） 這是因為阻抗的虛部sx2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，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對立的系數(shù)，完全有理由得到這樣一個轉(zhuǎn)折點，在該點之后，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，因為，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，合成的整個機械特性曲線呈現(xiàn)如圖6.9所示的形狀。 當(dāng)轉(zhuǎn)差率為1時，即，轉(zhuǎn)速為零時，所產(chǎn)生的力矩為啟動力矩。圖6.9所示的情況表明：此種電機的啟動力矩是稍稍超過額定轉(zhuǎn)矩的，對于某種電機來說是很典型的。啟動力矩的計算方法同任何轉(zhuǎn)差率下的力矩計算方法一樣，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。為了限制過大的啟動電流，額定功率超過2.38Kw的電機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。事實上，如果啟動時采用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)電機的另一個重要力矩參數(shù)是最大輸出力矩。該參數(shù)很重要，以至于該參數(shù)經(jīng)常是電機設(shè)計的出發(fā)點，最大力矩（極限力矩）是衡量電機儲備功率的一個指標(biāo)，其經(jīng)常是額定轉(zhuǎn)矩的200-300%，允許電機短時間內(nèi)運行在峰值負(fù)載

27、。然而，不能連續(xù)輸出最大負(fù)載，因為過大的電流會損壞電機的絕緣。 因為輸出力矩與氣隙功率成正比，所以，當(dāng)力矩最大時，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，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，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)生最大力矩時的轉(zhuǎn)差率數(shù)值。事實上，一些感應(yīng)電機被設(shè)計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?，請自行修改補充，歡迎通過Email（qiulk）進行討論和交流。 第七章 電機控制系統(tǒng) 前面章節(jié)主要討論了電機的類型和結(jié)構(gòu)特點。本章將概述幾種用于電機的功率控制系統(tǒng)。 7.1 控制符號 熟悉那些通常應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)的電氣符號是很有必要的，一些常用的電機控制符號如圖7.1 所示。 7.2 用開關(guān)來控制電機（電機的開關(guān)控制） 電機控制的一個重要

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，開關(guān)的功能是閉合和斷開一個電路，然而，還可以實現(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)用于電機控制。許多電機應(yīng)用場合使用按鈕開關(guān)作為控制電機起動、停止和反轉(zhuǎn)的途徑。按鈕由手工操作實現(xiàn)電機控制電路的斷開與閉合。用于控制電機的按鈕有多種類型。按鈕通常安裝在被稱為電機控制臺的機殼上。 通常，按鈕要么是常閉型、要么是常開型，然而，

30、在實際應(yīng)用中會有一些變化。一個常閉型按鈕是閉合的，直到其被手動按下，當(dāng)其被按下時，將會斷開一個電路；常開型按鈕是斷開的，直到其被手動按下，一旦被按下，將會閉合一個電路。電機控制臺的“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，當(dāng)轉(zhuǎn)軸被旋轉(zhuǎn)到不同位置時，這些可動觸點與安裝在瓷片上的不同靜止觸點相結(jié)合，在任何一個位置處，轉(zhuǎn)軸可以鎖定位置。旋轉(zhuǎn)開關(guān)通常通過手動順時針或反時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸進行控制。通常在轉(zhuǎn)軸的末端安裝一個手柄，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)僅僅是一個開通/關(guān)斷的開關(guān)裝置，其通過機械運動改變電氣控制電路的運行。機械運動產(chǎn)生的電氣控制電流用于限制機床的運動，或改變器運行順序。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驅(qū)動的機床，例如鉆床、車床或傳送系統(tǒng)。 其最基本形式是，限位開關(guān)將機械運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電氣控制電流。注意凸輪機構(gòu)，其為通常安裝在機床上的一個外部零件。凸輪施加外力到限位開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)上。執(zhí)行機構(gòu)是限位開關(guān)的一個部件，使內(nèi)部常開或常閉觸點改變狀態(tài)。執(zhí)行機構(gòu)運行要么歸因于凸輪機構(gòu)的直線運動，要么

32、歸因于凸輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動，這些運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)的常開或常閉觸點狀態(tài)之前，執(zhí)行機構(gòu)必須運動的一段距離。過行程是狀態(tài)改變后執(zhí)行機構(gòu)運動的一段距離。在限位開關(guān)使用的機器裝置中，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，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)機殼內(nèi)的一組觸點位置。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，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)生在機殼內(nèi)的薄膜機構(gòu)上。另一種類型的壓力開關(guān)采用活塞機構(gòu)，觸發(fā)開關(guān)觸點的斷開或閉合，在這種方式下，活塞的運動受媒介（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)用于機床操作人員在機床運行過程中雙手被占用的場合下。腳踏開關(guān)為機床的運行提供了一個額外的控制位置，例如雙手不能使用的場合。 7.3 電機的控制設(shè)備 幾種機電設(shè)備被用于電機控制，控制設(shè)

34、備的選擇影響系統(tǒng)的運行效率和機床的性能。為每種電機控制應(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控制的設(shè)備。 7.3.1 電機起動控制 一個電機起動裝置是一類電機控制設(shè)備，用于將電機從“停止”狀態(tài)加速到正常運行速度。在電機起動設(shè)計中有多種變化，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)進行起動。該類型的起動通常用于小型電機，其不會產(chǎn)生過大的起動電流。 一種類型的電機起動裝置是磁起動器，利用電磁原理斷開或閉合電機的電源電路。通常，電機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，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)。 幾種電機起動器用于電機的控制，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；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，另一些起動器降低起動時施加到電機上的電壓水平，從而降低了起動電流。通常，電機過載保護也包含在電機起動器的機殼內(nèi)。 典型的電機接觸器電路如圖7.3所示。幾種驅(qū)動電機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，電樞的機械運動通過一系列觸點閉合了電源和電 機之間的電氣通路。但這些動作發(fā)生時，

36、電機開始它的運行周期。 電樞左側(cè)的線圈觸點在同一電樞運動下結(jié)合在一起，結(jié)果，此時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，因此，只要有電，電機就繼續(xù)運行，用作此項功能的觸點成為保持觸點（自鎖觸點）。 通過按下停止按鈕實現(xiàn)接觸器控制電機的停止運行，該動作斷開了接觸器線圈的電源，致使電樞退出吸合位置，與電機串聯(lián)的接觸器觸點斷開，使電機失電，電機通路斷開則電機立即停止。 電機接觸器的繼電器動作設(shè)計成具有自鎖功能，一旦上電則保持其操作，在電機控制應(yīng)用中，這個條件是必須的。另外，接觸器也能以一個特定順序來執(zhí)行一系列操作。電機接觸器運行原理的電路圖和

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，而所有觸點閉合； 觸點閉合，電機開始旋轉(zhuǎn)，因為AC電壓通過觸點施加到電機上，在起動按鈕釋放后，自鎖觸點保持了通向線圈的電流通路的完整； 電機旋轉(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，使得觸點斷開； 電機將停轉(zhuǎn) 7.3.2 繼電器 繼電器是廣泛使用的控制裝置，具有一個含有靜止鐵心的電磁鐵，靠近鐵心的一端安裝一個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，在鐵心附近產(chǎn)生一個電磁場，電樞被吸向鐵芯；當(dāng)線圈失電時，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的簡圖。 通常，繼電器電樞被設(shè)計成：電氣觸點響應(yīng)電樞的運動。繼電器線圈得電導(dǎo)致觸點根據(jù)繼電器設(shè)計要求進行“閉合”或“斷開”，一個繼電器被看作是一個電磁開關(guān)機構(gòu)，有多種專用繼電器和開關(guān)組合用于電機控制。 繼電器用一個小電流建立一個足夠強的磁場以吸引電樞，當(dāng)電樞被吸引時，要么斷開觸點，要么閉合觸點，則這些觸點要么斷開、要么閉合一個大電流通路。流過繼電器線圈的用于建立足夠強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：常開和常閉。常開觸點在線圈失電時保持常

39、開，而當(dāng)線圈得電時閉合；常閉觸點在線圈是失電時保持常閉，而當(dāng)線圈得電時斷開。 7.3.3 螺線管 螺線管如圖7.6所示，是一個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，鐵心或活塞連在 一個外部彈簧上，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，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)實際需要以打開或關(guān)閉燃料供應(yīng)；大多數(shù)洗碗機采用一個或多個螺線管閥門以控制水流。 7.3.4 專用繼電器 在電機控制中，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，它具有自鎖機構(gòu)，能夠在電源從線圈移除后，繼續(xù)保持觸點的位置。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。延時繼電器用于在一段時間之后打開或關(guān)斷負(fù)載，常用的一類延時繼電器是氣動式的，氣動式延時繼電器的運行取決于腔體內(nèi)空氣的運動，空氣運動受可調(diào)小孔的控制，該孔用于調(diào)節(jié)通過腔體的空氣運動速度，氣流速度決定了膜片或活塞機構(gòu)的運動速度，這些機構(gòu)與繼電器的觸點相連，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)載接通或斷開的時間長短。也有另外幾種類型的延時繼電器，例如固態(tài)的、溫控的、充油式、阻尼式、和電機驅(qū)動式定時器等。延時繼電器對于循序操作很有用，各個操作之間需要一定的時間延遲。一個典型的應(yīng)用如下：按下起動按鈕；延時繼電器激活；10秒鐘延時后，電機開始運行； 7.4 電機起動系統(tǒng) 電機起動系統(tǒng)，尤其是對于大功率電機來說，在電機的高效運行方面起著重要的作用。幾種系統(tǒng)被用于電機起動，所使用的起動控制設(shè)備被置于電源和電機之間。在起動過程中，電機流過的電流大于正常運行時所流過的電流，電機起動設(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，因為全部電源電壓一開始就被施加到電機上，所以產(chǎn)生最大的力矩和最小的加速時間，然而電源系統(tǒng)必須能夠承受電機所流過的起動電流。 全壓起動電路如圖7.7所示。 圖7.7 三相電機全壓起動電路 在這個電機控制電路中，起動-停止按鈕用于控制三相電機，當(dāng)常開的起動按鈕被按下，電流通過繼電器線圈（M），使常開型觸點閉合，當(dāng)線電壓觸點閉合時，全電壓被施加到電機上。當(dāng)起動按鈕被釋放時，繼電器線 圈因自鎖觸點而保持得電，該觸點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、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)在電機的主電路中，以減小電機起動電流。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，起動觸點將閉合，電壓通過主電路電阻施加到電機上，這些電阻降低了起動電流。一旦延時繼電器的延時時間一過，觸點TR閉合，運行觸點R將閉合，將全電壓施加到電機上。 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，因為電抗器從交流電源那里消耗較少的能量。通常，該方法更適用于額定值超過600V的大電機。 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起動的方法，該方法使用一個或多個自耦變壓器去控制施加到電機上的電壓，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)電機加速到正常轉(zhuǎn)速附近時，自耦變壓器從電路中去除。該方法的主要缺點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。這是一種造價昂貴的

45、控制方式，使用了三個自耦變壓器和四個繼電器。 圖7.9 三相電機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觸點閉合，電壓通過自耦變壓器繞組施加到三相電機上。一個常閉和一個常開觸點受延時繼電器（TR）的控制，當(dāng)設(shè)定的延時周期一過，常閉的TR觸點將會打開，而常開的TR觸點將會閉合，線圈（R）得電，使得常開R觸點閉合，施加全電壓到三相電機。常閉R觸點與線圈（1S）、（2S）和（TR）串聯(lián)，線圈（R）得電時，常閉R觸點斷開線圈（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)濟的三 相電機起動方法，因為在星形配置下，線電壓除以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，電機定子繞組配置成星形接法，在運行階段，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，但是運行力矩依然很高，因為當(dāng)電機定子以三角形連接時，全電壓跨接到每一個繞組上。 圖7.10 三相電機星-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觸點則閉合，這一動作將電機繞組連接成星形連接，同時激活延時繼電器（TR）和線圈（1M），常開的1M觸點則閉合，向星形連接的電機繞組供電。當(dāng)延時周期一到，TR觸點改變狀態(tài)，線圈（S）失電，而線圈（2M）得電，那么，保持電機繞組構(gòu)成星形連接的S觸點斷開，2M觸點閉合，使得電機繞組構(gòu)成三角形連接。電機以定子繞組為三角形連接的方式繼續(xù)運行。 7.4.6 直流起動系統(tǒng) 因為當(dāng)直流電機沒有旋轉(zhuǎn)時，沒有反電動勢，所以，直流電機具有很大的起動電流，因此，直流電機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、電機上。常用于直流電機的四種控制系統(tǒng)為：電流限制；時間限制；CEMF；變電壓。電流限制方法使起動電流降低到一個指定的水平，然后增大的下一級電阻水平。限定時間方法使電機在指定的時間間隔內(nèi)增大轉(zhuǎn)速，不考慮電樞電流數(shù)值或電機的轉(zhuǎn)速。CEMF方法對電機電樞產(chǎn)生的CEMF數(shù)值進行采樣，以相應(yīng)地減小串聯(lián)的電阻，因為CEMF與直流電機的轉(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可變的直流電源最初向電機施加一個降低的電壓，接著逐漸提高該電壓，當(dāng)采用變電壓方法時，不需要串聯(lián)電阻。 7.5 正、反轉(zhuǎn)控制 多數(shù)電機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，電機需要兩個磁接觸器來完

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，正轉(zhuǎn)接觸器得電。當(dāng)停止按鈕開關(guān)被按下時，接觸器線圈失電。在反向運行時，也是同樣的步驟。 7.5.1 直流電機反轉(zhuǎn) 直流電機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現(xiàn)反轉(zhuǎn)。圖7.11所示為一直流并勵電機的控制電路。當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕被按下，線圈（F）得電，使F觸點閉合，電樞電路通路完成：從L1，經(jīng)低位F觸點，向上通過電樞，經(jīng)上位F觸點，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，電機旋轉(zhuǎn)方向就會反向，這是因為電樞電流方向放生了改變。按下反轉(zhuǎn)按鈕，線圈（R）得電，觸點R均閉合，電

50、樞電流通路從L1，經(jīng)上位R觸點，向下通過電樞，經(jīng)下位R觸點，回到L2。按下停止按鈕使線圈（R）失電。 7.5.2 單相感應(yīng)電機反轉(zhuǎn) 單相交流感應(yīng)電機具有起動和運行繞組，通過采用圖7.11所示電路實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)反向。電路修改為：用運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)電機通過改變啟動繞組或者是運行繞組的連接實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是不能同時改變兩者的連接。 7.5.3 三相感應(yīng)電機反轉(zhuǎn) 三相感應(yīng)電機通過簡單調(diào)換任意兩條電源線而實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，這一調(diào)換改變了施加到電機的電源相序。三相感應(yīng)電機反轉(zhuǎn)的控制電路如圖7.12所示。 當(dāng)正轉(zhuǎn)按鈕按下時，正向線圈將得電，并吸合F觸點。三相電壓以L1到T

51、1，L2到T2和L3到T3的相序施加到電機上，使電機正向旋轉(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，反向線圈將得電，并吸合R觸點。三相電壓以L1到T3，L2到T2和L3到T1的相序施加到電機上，這樣調(diào)換了L1和L3到電機的連線，使電機反向旋轉(zhuǎn)。 7.6 能耗制動 當(dāng)電機被斷開電源后，其軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一小段時間，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。無論何時電源斷開情況下，能耗制動是一種使電機快速停止的方法。當(dāng)電源斷開時，電阻就構(gòu)成跨接在電樞兩端的情形，這使電樞相當(dāng)于一個帶負(fù)載的發(fā)電機，這使電機的轉(zhuǎn)速立刻下降。這種能耗制動方法如圖7.13所示。 圖7.13 用于直流并勵電機的

52、能耗制動電路 交流感應(yīng)電機可以通過在電機繞組兩端跨接一個直流電壓的方法快速慢下來，該直流電壓建立一個恒定的磁場，該磁場使轉(zhuǎn)子快速慢下來。一個用于單相交流感應(yīng)電機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)被測量并與一個參考輸入進行比較，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的。 一個典型的測量系統(tǒng)是由一個或多個傳感器-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。正是因為這個原因，在本書中，我們將不對數(shù)據(jù)存儲裝置進行深入的探討。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)，為了在某一時刻從一組數(shù)據(jù)通道中選擇一個被測信號用于后續(xù)處理。以這種方式，一套昂貴的硬件可以分時用于幾個信號。

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，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間點對模擬信號進行采樣。一旦一個數(shù)值被采樣，該數(shù)值就被編碼成數(shù)字表示，例如普通的二進制碼、Gray碼、二進制-十進制碼（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，在每一個采樣周期中需要一個采樣保持操作。例如，在每個采樣周期一開始，模擬信號的值被檢測到（采樣），并假定在整個采樣周期內(nèi)為常數(shù)（保持）。事實上，這就是

55、零階保持操作。為了保證控制系統(tǒng)的正常運行，多路轉(zhuǎn)換、采樣和數(shù)字化等操作必須在一個精確計時器件（時鐘）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。針對一個具體的應(yīng)用或者是設(shè)計一個新的部件，對可獲得的部件進行選擇，主要依賴于這些部件的性能說明書和設(shè)計任務(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)兩個或多個元件相連時，在整個系統(tǒng)中單個元件的性能，與每個元件單獨運行時的性能相比，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。一個測量裝置在測量一個信號時，要經(jīng)過兩個階段，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)動一個控制器和驅(qū)動機構(gòu)的形式。正因如此，變送階段的輸出通常是一個電氣信號。被測量通常是一個模擬信號，因為在反饋控制應(yīng)用中，它通常代表著一個動態(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，考慮一個壓電式加速度計的運行過程（

57、見圖8.3（b）。在這個例子中，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，在加速度計的輸出端呈現(xiàn)為一個電信號。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。 一個復(fù)雜的傳感器（測量裝置）可以有一個以上的傳感階段。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)歷了幾個變送階段。傳感器和變送器階段均為功能級，而且在有的時候，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，這種階段劃分并不重要。然而，在設(shè)計新的測量儀器是，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中也很有用。而且，在學(xué)習(xí)系統(tǒng)（例如，機械手的示教-重現(xiàn)操作）中，進行測量并將測量結(jié)果存儲在計算機中，用于隨后的系統(tǒng)運行。在前饋控制中，需要對輸入量進行測量

59、。因此，很明顯，測量子系統(tǒng)是一個控制系統(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，測量可用于補償不良特性，但測量本身的誤差會直接進入系統(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行減小。因而，對反饋控制系統(tǒng)來說，其設(shè)計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。即使是在實時直接數(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，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)字方法進行后續(xù)調(diào)理和處理。 在傳感階段，被測信號可以看作是“