第1章 電氣傳動(dòng)的基本概念

1.1 電氣傳動(dòng)的任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì)

電氣傳動(dòng)既是一個(gè)理論性很鮮明的學(xué)科，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)。

電氣傳動(dòng)的第一項(xiàng)功能是能量轉(zhuǎn)換——借助于電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，這是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、公用事業(yè)、家用電器、醫(yī)療機(jī)械等所有人類活動(dòng)領(lǐng)域中所必需的。我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)到的生產(chǎn)流水線和單體工作機(jī)械幾乎全部都是用電氣傳動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。

電氣傳動(dòng)的第二項(xiàng)功能是運(yùn)動(dòng)控制——其本質(zhì)就是對(duì)工作機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施位置、速度或轉(zhuǎn)矩控制。

每個(gè)工作機(jī)械都需要控制：接通/分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)的電源屬于簡(jiǎn)單的控制；根據(jù)工藝條件和要求改變電動(dòng)機(jī)的速度或轉(zhuǎn)矩屬于高級(jí)的控制。為了保護(hù)工作機(jī)械和電氣傳動(dòng)設(shè)備，還要實(shí)施必要的保護(hù)和聯(lián)鎖，這屬于安全方面的控制。現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的操作，可通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)或程序控制實(shí)現(xiàn)。為了保證執(zhí)行過(guò)程的準(zhǔn)確性，即使是手動(dòng)操作的功能，也要依靠自動(dòng)化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這屬于操作方面的控制。

把電氣傳動(dòng)的兩種功能結(jié)合起來(lái)，在電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的性能指標(biāo)（功率、力、轉(zhuǎn)矩、速度、加速度、位移和角位移），合理地完成工藝過(guò)程，這就是電氣傳動(dòng)在生產(chǎn)設(shè)備中的作用。

下面以幾個(gè)實(shí)例分析電氣傳動(dòng)的功能。

圖1-1所示為一臺(tái)用于車間空氣交換的排風(fēng)機(jī)的電路圖，這種排風(fēng)機(jī)的控制屬于手動(dòng)控制。

異步電動(dòng)機(jī)M把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)。為了使風(fēng)機(jī)工作，需要使電動(dòng)機(jī)接通/分?jǐn)嚯娫础＿@個(gè)控制功能是由主接觸器KM和控制按鈕實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，主接觸器線圈通電，它的常開(kāi)主觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)M與電源接通，風(fēng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)停止按鈕SB2被按下時(shí)，主接觸器的線圈失電，它的主觸頭分開(kāi)，電動(dòng)機(jī)與電源分?jǐn)啵L(fēng)機(jī)停止。

圖1-1 排風(fēng)機(jī)的電路圖

圖1-1中還可以看到保護(hù)控制的器件。斷路器QF中裝有大電流瞬動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電路中發(fā)生電流短路時(shí)可以很快切斷電源。電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)是由熱繼電器FR完成的。

電氣傳動(dòng)的第二個(gè)例子是電梯。電梯是垂直輸送人員和物品的機(jī)電設(shè)備。乘客進(jìn)入電梯轎廂，按下目的樓層的按鈕，電梯會(huì)自動(dòng)關(guān)閉轎廂門并動(dòng)朝著選擇的方向運(yùn)行，到達(dá)指定的樓層后轎廂門自動(dòng)打開(kāi)。電梯的原理是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)以及轉(zhuǎn)鼓-鋼繩機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)檗I廂垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。電梯的運(yùn)動(dòng)控制包括電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)/停止控制、加速/減速控制以及轎廂門的開(kāi)閉控制之類的輔助控制。出于對(duì)電梯舒適性的考慮，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)/停止、加速/減速都要做到平滑穩(wěn)定。而電梯的方向選擇、準(zhǔn)確停車、轎廂門開(kāi)閉也屬于運(yùn)動(dòng)控制的范圍。為了完成這些功能，必須按照一定的規(guī)律控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。此外，為了確保設(shè)備可靠運(yùn)行和乘客的安全，控制系統(tǒng)還要提供必要的保護(hù)聯(lián)鎖功能并且能夠顯示轎廂的狀態(tài)信息。電梯控制屬于自動(dòng)控制的范疇。

第三個(gè)電氣傳動(dòng)的例子是家用全自動(dòng)洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)是程序控制的代表性機(jī)電產(chǎn)品，其中包含一臺(tái)多速電動(dòng)機(jī)、主要的工作機(jī)構(gòu)是帶傳動(dòng)的滾筒，附屬的部件有電動(dòng)水泵、電動(dòng)閥門和控制電路板及其程序。全自動(dòng)洗衣機(jī)就是預(yù)先將洗衣的全過(guò)程（注水—浸泡—洗滌—漂洗—脫水—排水）設(shè)置成為數(shù)個(gè)子程序，洗衣時(shí)選擇其中一個(gè)程序，只要打開(kāi)水龍頭和按下洗衣機(jī)開(kāi)關(guān)后，洗衣的全過(guò)程就會(huì)自動(dòng)完成。各個(gè)電氣部件和機(jī)械部件的工作是由控制電路板中的程序控制的。有了程序的組織與協(xié)調(diào)，一個(gè)個(gè)單獨(dú)的部件就可以共同構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)電系統(tǒng)，就能完成復(fù)雜的工作過(guò)程。像這樣由程序控制的電氣傳動(dòng)設(shè)備，仍然離不開(kāi)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。程序控制裝置負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部件動(dòng)作并按照預(yù)先設(shè)置的程序完成整個(gè)工作過(guò)程。

電氣傳動(dòng)還有一個(gè)重要使命就是創(chuàng)建新的節(jié)能技術(shù)。許多工藝過(guò)程都需要消耗大量的電能，但這些被消耗的電能不是完全用于生產(chǎn)過(guò)程，其中的部分電能被無(wú)謂地浪費(fèi)掉，典型例子是水泵供水系統(tǒng)。以前供水系統(tǒng)使用的是恒速的電氣傳動(dòng)設(shè)備，無(wú)法調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，而只能通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度改變管網(wǎng)阻力調(diào)節(jié)流量。實(shí)際上用戶在每個(gè)季節(jié)甚至每天的不同時(shí)段所需要的水量并不固定。如果采用閥門調(diào)節(jié)流量，一部分電能沒(méi)有變成有用功，而是白白消耗于管網(wǎng)阻力。此外，操作閥門調(diào)節(jié)流量很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作模式。

現(xiàn)在流行的作法是采用可調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)控制水泵的流量。可調(diào)速的水泵可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：其一，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣┧枰臋C(jī)械能；其二，控制水泵的工作轉(zhuǎn)速，維持供水的壓力和流量。這種調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的做法可以節(jié)電20%～30%，節(jié)水10%～20%。如果是供暖用調(diào)速水泵，還可以節(jié)熱5%～10%。這個(gè)例子說(shuō)明，電氣傳動(dòng)中的調(diào)速技術(shù)不但可以優(yōu)化工藝過(guò)程，而且還可以節(jié)省大量寶貴的電能。

對(duì)于很多機(jī)器的工作機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)速度是它們進(jìn)行工作的先決條件。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有可調(diào)速的電氣傳動(dòng)，很多機(jī)器將無(wú)法工作。礦山機(jī)械中的電鏟（又稱挖掘機(jī)）就是這方面的例子（見(jiàn)圖1-2）。

圖1-2 國(guó)產(chǎn)的WK-56型礦山用電鏟

電鏟的挖掘工作機(jī)構(gòu)是鏟斗、鏟桿、轉(zhuǎn)鼓-鋼繩構(gòu)成的提升機(jī)構(gòu)、可以旋轉(zhuǎn)的鏟身以及行走用履帶。鏟斗在挖掘已經(jīng)被破碎的巖石時(shí)，要借助于鏟桿的前推和鋼繩的提升。當(dāng)鏟斗裝滿時(shí)，要把鏟斗提高到適當(dāng)?shù)母叨取；剞D(zhuǎn)鏟身使鏟斗底部對(duì)準(zhǔn)運(yùn)輸車輛的貨廂，卸下巖石后回轉(zhuǎn)到原位置，重復(fù)挖掘動(dòng)作。行走履帶動(dòng)作可使電鏟前進(jìn)或后退。

電鏟的電氣傳動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，簡(jiǎn)化后的電氣框圖如圖1-3所示。

圖1-3 礦山用電鏟的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電鏟在其作業(yè)區(qū)域內(nèi)可以小范圍的移動(dòng)位置。為此，在電鏟的作業(yè)區(qū)域設(shè)有6kV或者10kV的電源配電柜，通過(guò)柔性的高壓電纜向電鏟提供電源。在電鏟的側(cè)面有引入電源的受電環(huán)和配電保護(hù)的高壓配電柜。同步電動(dòng)機(jī)-直流發(fā)電機(jī)組向各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)供電。通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流改變各個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。現(xiàn)代的電鏟的電氣傳動(dòng)開(kāi)始采用晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)或變頻器-交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)方式。

電鏟基本動(dòng)作包括鋼繩提升、鏟桿推壓、鏟身回轉(zhuǎn)和履帶行走。它們分別由各自的直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組所驅(qū)動(dòng)。為了操縱電鏟，在電鏟司機(jī)的座椅前還安裝了操作臺(tái)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速機(jī)、轉(zhuǎn)鼓-鋼繩機(jī)構(gòu)，推壓齒條機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)齒圈機(jī)構(gòu)和履帶行走機(jī)構(gòu)。

電鏟是負(fù)荷變化很大的機(jī)械，一般鏟斗的容積有4～20m³，大型電鏟的鏟斗容積達(dá)到數(shù)十立方米。電鏟的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量也有數(shù)百噸，需要有足夠的傳動(dòng)功率。同時(shí)，還要使鏟斗的運(yùn)動(dòng)與司機(jī)操作的動(dòng)作相匹配。所以電鏟的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求：

（1）在正常工作范圍內(nèi)負(fù)荷增大時(shí)轉(zhuǎn)速下降必須很小，即機(jī)械特性硬，以保證有很高的生產(chǎn)率；

（2）當(dāng)負(fù)荷超過(guò)容許值，例如鏟斗在清理巖石根部或被大塊礦石卡住時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)能迅速下降并自動(dòng)限制堵轉(zhuǎn)電流，以保證機(jī)電設(shè)備不受損壞，這就是通常所說(shuō)的挖土機(jī)特性；

（3）電鏟的提升、推壓和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于頻繁的起制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，挖掘周期約為20～30s，要求具有快速的過(guò)渡過(guò)程。

可以說(shuō)電鏟的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)足夠復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)。

工業(yè)領(lǐng)域的電氣傳動(dòng)中，數(shù)控機(jī)床的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)被認(rèn)為是最為復(fù)雜的。數(shù)控機(jī)床可以按照事先編制好的程序動(dòng)作，自動(dòng)加工出高精密度的零件。

數(shù)控裝置（Computer Numberical Controller CNC）存有加工程序并能實(shí)現(xiàn)控制功能，是數(shù)控機(jī)床的大腦。電氣傳動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分，包括主軸傳動(dòng)和多個(gè)進(jìn)給傳動(dòng)等。當(dāng)幾個(gè)坐標(biāo)的進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。這就要求數(shù)控機(jī)床的電氣傳動(dòng)具有如下特點(diǎn)：

（1）高精度調(diào)速特性，調(diào)速范圍接近萬(wàn)分之一；

（2）具有高精度定位功能，工件定位精度可達(dá)微米級(jí)；

（3）多坐標(biāo)協(xié)調(diào)進(jìn)給，完成插補(bǔ)功能，進(jìn)給精度高達(dá)微米級(jí)；

（4）可以高精度保持在指定的速度，并且具有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

由此可見(jiàn)，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床（見(jiàn)圖1-4）是一種基于高精度自動(dòng)化電氣傳動(dòng)的機(jī)電設(shè)備，數(shù)控機(jī)床的工作是由數(shù)控裝置總體控制的程序控制系統(tǒng)。

再舉一個(gè)電氣傳動(dòng)在交通運(yùn)輸方面的例子。

由于石油資源日益減少，電動(dòng)汽車越來(lái)越普遍。一些汽車公司推出的輕型電動(dòng)汽車，其運(yùn)行特性已經(jīng)不亞于傳統(tǒng)汽車。電動(dòng)汽車的主要優(yōu)點(diǎn)就在于環(huán)境保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，這一優(yōu)勢(shì)確保它將在未來(lái)幾十年中得到廣泛應(yīng)用。目前電動(dòng)汽車有兩種動(dòng)力方式：混合動(dòng)力汽車和單純使用蓄電池的電動(dòng)汽車。混合動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式有幾種類型，其中比較簡(jiǎn)單的是電動(dòng)車輪方式。這種混合動(dòng)力汽車?yán)脙?nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，利用可以充電的蓄電池作為緩沖電源。由于內(nèi)燃機(jī)工作于恒定速度狀態(tài)，燃油消耗相對(duì)較低，有害廢氣排放量降至最小。驅(qū)動(dòng)車輪的交流電動(dòng)機(jī)由蓄電池通過(guò)變流器供電。在下坡和制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)和變流器逆變成電能為蓄電池充電。圖1-5所示為混合動(dòng)力汽車電氣傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1-4 數(shù)控機(jī)床

圖1-5 混合動(dòng)力汽車電氣傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)上述例子可以說(shuō)明，電氣傳動(dòng)裝置是各種生產(chǎn)機(jī)械和工藝裝備中的重要組成部分。通常電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是工作機(jī)械設(shè)計(jì)中工作最為復(fù)雜的部分，也是價(jià)格最為昂貴的部分。設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的專業(yè)人員必須是經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并且具備多種技能的高度熟練的技術(shù)人員。一個(gè)合格電氣傳動(dòng)的技術(shù)人員必須熟悉電路原理、電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電氣傳動(dòng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)等課程，還要對(duì)高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程數(shù)學(xué)有較深刻的了解。