第1章 電氣傳動的基本概念

1.1 電氣傳動的任務和發展趨勢

電氣傳動既是一個理論性很鮮明的學科，也是一門實踐性很強的應用技術。

電氣傳動的第一項功能是能量轉換——借助于電動機把電能轉變為機械能，這是現代工業、農業、交通運輸業、公用事業、家用電器、醫療機械等所有人類活動領域中所必需的。我們日常所見到的生產流水線和單體工作機械幾乎全部都是用電氣傳動設備驅動的。

電氣傳動的第二項功能是運動控制——其本質就是對工作機械的執行機構實施位置、速度或轉矩控制。

每個工作機械都需要控制：接通/分斷電動機的電源屬于簡單的控制；根據工藝條件和要求改變電動機的速度或轉矩屬于高級的控制。為了保護工作機械和電氣傳動設備，還要實施必要的保護和聯鎖，這屬于安全方面的控制。現代電氣傳動系統的操作，可通過手動、自動或程序控制實現。為了保證執行過程的準確性，即使是手動操作的功能，也要依靠自動化設備來實現，這屬于操作方面的控制。

把電氣傳動的兩種功能結合起來，在電能轉換成為機械能的同時，實現控制機械運動的性能指標（功率、力、轉矩、速度、加速度、位移和角位移），合理地完成工藝過程，這就是電氣傳動在生產設備中的作用。

下面以幾個實例分析電氣傳動的功能。

圖1-1所示為一臺用于車間空氣交換的排風機的電路圖，這種排風機的控制屬于手動控制。

異步電動機M把電能轉變為機械能，帶動風機的葉片旋轉。為了使風機工作，需要使電動機接通/分斷電源。這個控制功能是由主接觸器KM和控制按鈕實現的。當按下起動按鈕SB1時，主接觸器線圈通電，它的常開主觸頭閉合，電動機M與電源接通，風機開始轉動。當停止按鈕SB2被按下時，主接觸器的線圈失電，它的主觸頭分開，電動機與電源分斷，風機停止。

圖1-1 排風機的電路圖

圖1-1中還可以看到保護控制的器件。斷路器QF中裝有大電流瞬動脫扣機構，當電路中發生電流短路時可以很快切斷電源。電動機的過載保護是由熱繼電器FR完成的。

電氣傳動的第二個例子是電梯。電梯是垂直輸送人員和物品的機電設備。乘客進入電梯轎廂，按下目的樓層的按鈕，電梯會自動關閉轎廂門并動朝著選擇的方向運行，到達指定的樓層后轎廂門自動打開。電梯的原理是由一臺電動機和減速機以及轉鼓-鋼繩機構實現把電能轉變為轎廂垂直運動的機械能。電梯的運動控制包括電動機的起動/停止控制、加速/減速控制以及轎廂門的開閉控制之類的輔助控制。出于對電梯舒適性的考慮，電動機的起動/停止、加速/減速都要做到平滑穩定。而電梯的方向選擇、準確停車、轎廂門開閉也屬于運動控制的范圍。為了完成這些功能，必須按照一定的規律控制電動機的運行。此外，為了確保設備可靠運行和乘客的安全，控制系統還要提供必要的保護聯鎖功能并且能夠顯示轎廂的狀態信息。電梯控制屬于自動控制的范疇。

第三個電氣傳動的例子是家用全自動洗衣機。這種洗衣機是程序控制的代表性機電產品，其中包含一臺多速電動機、主要的工作機構是帶傳動的滾筒，附屬的部件有電動水泵、電動閥門和控制電路板及其程序。全自動洗衣機就是預先將洗衣的全過程（注水—浸泡—洗滌—漂洗—脫水—排水）設置成為數個子程序，洗衣時選擇其中一個程序，只要打開水龍頭和按下洗衣機開關后，洗衣的全過程就會自動完成。各個電氣部件和機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調，一個個單獨的部件就可以共同構成一個自動化的機電系統，就能完成復雜的工作過程。像這樣由程序控制的電氣傳動設備，仍然離不開電動機實現電能向機械能的轉變。程序控制裝置負責協調各個部件動作并按照預先設置的程序完成整個工作過程。

電氣傳動還有一個重要使命就是創建新的節能技術。許多工藝過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過程，其中的部分電能被無謂地浪費掉，典型例子是水泵供水系統。以前供水系統使用的是恒速的電氣傳動設備，無法調節水泵的輸出流量，而只能通過改變調節閥門的開度改變管網阻力調節流量。實際上用戶在每個季節甚至每天的不同時段所需要的水量并不固定。如果采用閥門調節流量，一部分電能沒有變成有用功，而是白白消耗于管網阻力。此外，操作閥門調節流量很難實現自動化操作模式。

現在流行的作法是采用可調速的異步電動機控制水泵的流量。可調速的水泵可以實現兩個功能：其一，把電能轉變為供水所需要的機械能；其二，控制水泵的工作轉速，維持供水的壓力和流量。這種調節水泵轉速的做法可以節電20%～30%，節水10%～20%。如果是供暖用調速水泵，還可以節熱5%～10%。這個例子說明，電氣傳動中的調速技術不但可以優化工藝過程，而且還可以節省大量寶貴的電能。

對于很多機器的工作機構，調節速度是它們進行工作的先決條件。也就是說，如果沒有可調速的電氣傳動，很多機器將無法工作。礦山機械中的電鏟（又稱挖掘機）就是這方面的例子（見圖1-2）。

圖1-2 國產的WK-56型礦山用電鏟

電鏟的挖掘工作機構是鏟斗、鏟桿、轉鼓-鋼繩構成的提升機構、可以旋轉的鏟身以及行走用履帶。鏟斗在挖掘已經被破碎的巖石時，要借助于鏟桿的前推和鋼繩的提升。當鏟斗裝滿時，要把鏟斗提高到適當的高度。回轉鏟身使鏟斗底部對準運輸車輛的貨廂，卸下巖石后回轉到原位置，重復挖掘動作。行走履帶動作可使電鏟前進或后退。

電鏟的電氣傳動結構很復雜，簡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系統結構圖

電鏟在其作業區域內可以小范圍的移動位置。為此，在電鏟的作業區域設有6kV或者10kV的電源配電柜，通過柔性的高壓電纜向電鏟提供電源。在電鏟的側面有引入電源的受電環和配電保護的高壓配電柜。同步電動機-直流發電機組向各個運動機構的電動機供電。通過調節各個電動機的勵磁電流改變各個驅動電動機的轉速。現代的電鏟的電氣傳動開始采用晶閘管-直流電動機或變頻器-交流電動機的傳動方式。

電鏟基本動作包括鋼繩提升、鏟桿推壓、鏟身回轉和履帶行走。它們分別由各自的直流發電機-電動機組所驅動。為了操縱電鏟，在電鏟司機的座椅前還安裝了操作臺。機械傳動機構包括減速機、轉鼓-鋼繩機構，推壓齒條機構、回轉齒圈機構和履帶行走機構。

電鏟是負荷變化很大的機械，一般鏟斗的容積有4～20m³，大型電鏟的鏟斗容積達到數十立方米。電鏟的運動部分的質量也有數百噸，需要有足夠的傳動功率。同時，還要使鏟斗的運動與司機操作的動作相匹配。所以電鏟的電氣傳動系統應該滿足如下要求：

（1）在正常工作范圍內負荷增大時轉速下降必須很小，即機械特性硬，以保證有很高的生產率；

（2）當負荷超過容許值，例如鏟斗在清理巖石根部或被大塊礦石卡住時，轉速應能迅速下降并自動限制堵轉電流，以保證機電設備不受損壞，這就是通常所說的挖土機特性；

（3）電鏟的提升、推壓和回轉機構處于頻繁的起制動和正反轉，挖掘周期約為20～30s，要求具有快速的過渡過程。

可以說電鏟的電氣傳動系統是一個足夠復雜的自動化系統。

工業領域的電氣傳動中，數控機床的電氣傳動系統被認為是最為復雜的。數控機床可以按照事先編制好的程序動作，自動加工出高精密度的零件。

數控裝置（Computer Numberical Controller CNC）存有加工程序并能實現控制功能，是數控機床的大腦。電氣傳動裝置是數控機床的執行部分，包括主軸傳動和多個進給傳動等。當幾個坐標的進給聯動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。這就要求數控機床的電氣傳動具有如下特點：

（1）高精度調速特性，調速范圍接近萬分之一；

（2）具有高精度定位功能，工件定位精度可達微米級；

（3）多坐標協調進給，完成插補功能，進給精度高達微米級；

（4）可以高精度保持在指定的速度，并且具有很高的動態響應能力。

由此可見，現代數控機床（見圖1-4）是一種基于高精度自動化電氣傳動的機電設備，數控機床的工作是由數控裝置總體控制的程序控制系統。

再舉一個電氣傳動在交通運輸方面的例子。

由于石油資源日益減少，電動汽車越來越普遍。一些汽車公司推出的輕型電動汽車，其運行特性已經不亞于傳統汽車。電動汽車的主要優點就在于環境保護方面的優勢，這一優勢確保它將在未來幾十年中得到廣泛應用。目前電動汽車有兩種動力方式：混合動力汽車和單純使用蓄電池的電動汽車。混合動力的驅動方式有幾種類型，其中比較簡單的是電動車輪方式。這種混合動力汽車利用內燃機帶動發電機旋轉發電，利用可以充電的蓄電池作為緩沖電源。由于內燃機工作于恒定速度狀態，燃油消耗相對較低，有害廢氣排放量降至最小。驅動車輪的交流電動機由蓄電池通過變流器供電。在下坡和制動時，動能可以通過電動機和變流器逆變成電能為蓄電池充電。圖1-5所示為混合動力汽車電氣傳動結構示意圖。

圖1-4 數控機床

圖1-5 混合動力汽車電氣傳動結構示意圖

通過上述例子可以說明，電氣傳動裝置是各種生產機械和工藝裝備中的重要組成部分。通常電氣傳動系統是工作機械設計中工作最為復雜的部分，也是價格最為昂貴的部分。設計、制造和維護電氣傳動系統的專業人員必須是經過培訓并且具備多種技能的高度熟練的技術人員。一個合格電氣傳動的技術人員必須熟悉電路原理、電子技術、電力電子技術、電機學、電氣傳動、自動控制系統、自動控制理論、計算機技術等課程，還要對高等數學、物理學、工程數學有較深刻的了解。