1、电气自动化专业英语68 第六章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email（qiulk）进行讨论和交流。6.1 直流电动机的类型市场上可购买到的电动机基本上分为四种类型：永磁直流电机；串励直流电机；并励直流电机；复励直流电机。因其电路布局和物理性质，使得每一种电机具有不同的特点。6.1.1 永磁直流电机永磁直流电机，如图6.1所示，其结构与相对应的直流发电机的结构相同。永磁直流电机用于低力矩的应用场合。当使用此种电机时，通过电刷-换向器装置，直接将电源连接到电枢导体上。磁场由安装在定子上的永磁体产生，永磁直流电机的转子是一个绕线式电枢。该类型电机通常采用铝镍钴合金或陶
2、瓷永磁体，而不是励磁线圈。铝镍钴合金永磁体用于大马力的应用场合。陶瓷永磁体通常用于小马力低转速的电机。陶瓷永磁体具有较高的抗去磁能力，但磁通水平相对较低。这些磁体通常安装在电机的机壳上，并在电枢绕组插入之前进行磁化。永磁直流电机与传统的直流电机相比有几个优点，一个优点是降低了运行成本；永磁电机的速度特性与并励直流电机的速度特性相似；永磁电机的旋转方向可以通过调换两根电源线而实现反转。6.1.2 串励直流电机直流电机电枢和励磁电路的接线方式决定了电机的基本特性。每一种类型的直流电机具有与之对应类型的直流发电机相似的结构，在多数情况下，唯一的区别在于发电机是作为一个电压源，而电动机是一个机械能转换
3、装置。串励直流电机，如图6.2所示，其电枢和励磁电路以串联的方式连接起来。只有一条从直流电压源的电流通路。因而，励磁线圈由大线径导线、以相对少的匝数绕制而成的，使得励磁绕组的电阻较小。施加到电机轴上电机负载的变化导致流经励磁线圈的电流发生变化。如果机械负载增加，则电流也增大。增大的电流产生一个更强的磁场。串励电机的转速在空载下的很快与重载下的很慢之间变化。由于大电流流过励磁线圈，所以串励电机可产生大力矩输出。串励电机多用于重载和速度调节要求低的场合。一个典型的应用是汽车启动电机。6.1.3 并励直流电机并励直流电机比其它类型的直流电机应用更广。如图6.3所示，并励电机的励磁线圈与电枢以并联的形
4、式连接到直流电源。这种类型直流电机的励磁线圈由细径导线绕制多圈而制成，具有相对较高的电阻。由于励磁绕组是并励电机的高阻并联电路，所以，流经励磁绕组的电流较小。但是，由于磁场绕组的匝数很多，所以，仍然产生一个强大的电磁场。绝大多数（约95%）的并励电机电流是流过电枢电路的（意味着只有约5%的电流流过励磁电路，也就是说该电流的大小变化不是很大，对磁场强度的影响就会很小）。因为励磁电流对磁场强度影响很小，所以电机转速受负载电流变化的影响很小。流过并励电机的电流关系如下所示：IL=Ia+If其中，IL-是从电源流出的总电流；Ia是电枢电流；If是励磁电流。励磁电流可以通过在励磁绕组电路上串联一个可变电
5、阻而改变，因为励磁电流很小，所以采用一个低功率的变阻箱，通过励磁电阻的改变以改变电机的转速。当励磁电阻增大时，励磁电流减小。励磁电流减小，导致电磁场强度的下降。当磁场磁通下降是，电枢会转得更快一些，归因于磁场交互作用的减弱。这样，通过应用励磁变阻箱的方法，直流并励电机的转速可以很容易地发生变化。并励绕线式直流电机具有非常好的速度调节特性。当负载增加时，电机转速有轻微的下降，其原因是电枢两端电压降增加。正是因为其良好的速度调节特性和易于速度控制的特点，直流并励电机通常应用于工业应用，许多类型的变速机床均由直流并励电机所驱动。6.1.4 复励绕线式直流电机复励绕线式直流电机如图6.4所示，拥有两组
6、励磁绕组，一个与电枢串联，另一个与电枢并联。此种电机结合了串励电机和并励电机的优点。复励电机的连接方式有两种：积复励和差复励。积复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相增强的，而差复励直流电机的串联和并联励磁线圈是互相减弱的。串联励磁线圈的放置位置有两种方式，一种方式称之为短并励（如图6.4所示），在这种方式中，并励励磁线圈直接跨接在电枢绕组两端；而在长并励方式中，并励励磁线圈跨接在电枢绕组和串联励磁线圈的两端（如图6.4所示）。复励电机具有与串励电机相似的大力矩特点，同时也具有与并励电机相似的良好的速度调节特性的特点。因此，当需要大力矩和良好速度调节特性时，可以选用复励直流电机。复励直流电机的
7、缺点是它的成本较高。6.2 直流电机分析一个直流电机是一个功率流向相反的直流发电机。在直流电机中，电能被转化成机械能。基于前面的讨论，有三种类型的直流电机：并励、积复励和串励。积复励电机前面加了一个“积”字，用以强调所串联的励磁线圈的方式确保串励磁通是增强并励磁通的。不象串励发电机那样，串励电机有着广泛地用途，尤其是在牵引类负载。因此本书后续部分给予此种电机应有的关注。（也可以翻译成：“因此，本书后续部分给予此种电机相当的笔墨。”）根据其等效电路、一组性能方程、一个功率流向图和磁化曲线，三种之中的任何一种直流电机的运行性能均可方便的加以描述。等效电路如图6.5所示，值得注意的是：在这里，电枢感
8、应电压被看作一个反电动势Ea。通过添加适当的约束，我们可以得到各种理想运行模式的等效电路。例如，对于串励电机，其恰当的等效电路是将图6.5所示等效电路中的Rf去掉。计算运行性能所需的一组方程如下所示：（式：6.1-6.4，省略）注意最后的两个方程做了相应的修改，对以下事实做出解释：对于电动机来说，Ut是施加电压或电源电压，必须等于电压降之和；同样地，线电流等于电枢电流和励磁电流之和，而不是二者之差。功率流向图如图6.6所示，来自于电网的电能UtIL提供了用于建立磁通的磁场能量和维持电流Ia的电枢电路铜损。流过位于磁场内的电枢导体的电流导致了力矩的产生（F=BIL）。根据能量守恒定律可知：电磁功
9、率EaIa应等于TWm，其中Wm是稳态运行速度。从电机所产生的机械功率中去除旋转损失就是（系统的）机械输出功率。直流电机经常被用来做一些工业上非常苛刻的工作，因为其高度的灵活性和易于控制的特点。这些优点是其他电磁能量转换装置所能比拟的。直流电机具有一个宽泛的速度控制和力矩控制，以及突出的加速和减速特性。例如，通过接入一个合适的电枢电路电阻，在启动时，可以在不超过额定电流的情况下，得到额定转矩；还有，通过对并励励磁线圈的特殊设计，可以轻松得到超过4:1的速度调节。如果辅助以电枢电压控制，速度调节范围可达6:1。在某些提供电枢和励磁电路直流能量的电子控制装置中，能达到的速度调节范围是40:1，不过
10、，能够控制的电机的尺寸是有限的。6.3 直流电动机的速度-力矩特性（机械特性）直流电机如何对施加到电机轴上负载做出反应？直流电机自适应地向负载提供所需能量的机理是什么？这些问题的答案可以通过对性能方程组的推导而得出。首先，我们的注意力放在并励直流电机上，但是，类似的推导思路可以应用到其它类型的直流电机上。为了我们的目标，两个相关的描述力矩和电流的方程，即：T=KT*Phi*Ia和XXX（6.5式省略）。注意最后一个表达式是由式6.1替代式6.3中的Ea所得到的。当空载时，唯一所需力矩用于克服旋转损失。因为并励电机运行在恒定的磁通下，式T=KT*Phi*Ia（6.2）表明：与额定值相比，只需要一
11、个很小的电枢电流以提供那些（旋转）损失。式（6.5）揭示了电枢电流到达所需数值的方式。在这个表达式中，Ut、Ra、KE和Phi均为固定值，因此，转速n就是一个关键变量。对于某一瞬间，如果假设转速低于某一数值，那么式（6.5）的分子项呈现一个较大数值，反过来使得电流Ia为一个较大的值。从这一点上来说，电机做出反应来改正这一情形。大的电枢电流Ia产生一个超过摩擦力和风阻的力矩，该力矩将增加转速到一个与电枢电流平衡值相对应的水平上。换句话说，只有在转速到达这样的一个水平上-由公式（6.5）所产生的电枢电流足以克服旋转损失，加速力矩才变成零。接下来考虑这样一个情形：当一个需要额定力矩的负载突然施加到电
12、机转轴上。很清楚，因为在这一瞬间，电机所产生的而力矩只能够克服摩擦力和风阻，而不足以克服负载力矩，所以，电机的第一个反应是失速（速度下降）。这样，正如式（6.5）所示的那样，电枢电流增大，反过来使得电磁力矩增大。事实上，施加力矩导致电机在某个转速下运转，此时电机的电流足以产生力矩以克服所施加的力矩和摩擦力矩。达到所谓的功率平衡，此时，达到一个平衡条件：电磁功率EaIa 等于机械功率TWm。直流电机与三相感应电机的对比表明：从施加到转轴上的负载的响应来看，两者都是速度敏感型装置。然而，一个本质的区别在于对于三相感应电机来说，所产生的力矩与电枢电流的功率因数角大小成反比。当然，对于直流电机来说，没
13、有类似的情形。基于上述讨论，很明显，直流电机的速度-力矩特性曲线是一个重要的性质。图6.7所示是用于并励、复励和串励电机的速度-力矩特性的一般形状。为了便于比较，这些曲线通过了一个共同的额定力矩和额定转速点。要理解为什么曲线的形状和相对位置会如图6.7所示，可以从式（6.1）中得到答案，其含有速度项。对于并励直流电机来说，速度方程可以记作：（6.6）式子中的变量只有转速n和电枢电流Ia。在额定输出力矩情况下，电枢电流为额定值，转速也为额定值。当负载去除后，电枢电流相应地变小，使得式（6.6）的分子项变大，其结果是导致较高的转速。转速增高的程度取决于电枢电阻压降与端电压相比有多大，通常约为5%-
14、10%。因而，我们可以想象出并励电机的转速变化百分比大致为这一量级。速度变化用一个称为转速变化率的品质因数来表示，其定义如下：（6.7）当速度方程应用于积复励电机时，其形式为：（6.8）将其与并励电机的类似表达式比较可以得出两点不同：1）分子项中包含除电枢绕组之外的串励励磁绕组的电压降；2）分母项增加串励磁通量Phis。假设从额定力矩和转速处开始，从式（6.8）可以清楚地看出：当负载力矩减小为零时，分子项有一个增长，该增长大于并励电机情况下的增长，而且，与此同时，分母项有所减小，因为当转矩为零时，Phis也为零。两种因素同时作用使得转速有一个大的增长。因此，积复励电机的转速变化率大于并励电机的
15、转速变化率。图6.7图示地描述了该信息。串励电机的速度-力矩特性情况有很大的不同，因为它没有并励的励磁绕组。牢记：在串励电机中，磁场磁通的建立完全来自电枢电流流过串励励磁线圈。那么，据此而论，串励电机的速度方程变为：（6.9）其中表示一个新的比例因子，使得可以由电枢电流Ia所代替。当额定力矩产生时，电枢电流为额定电流，因而，磁场磁通是足够的。然而，当负载力矩撤销时，电枢电流就小于额定值。现在，由于Ia出现在速度方程的分母项中，显而易见，转速会有较大的增长。事实上，如果将负载从电机轴上去除，将会导致危险的高速旋转（俗称“飞速”），因为电枢电流很小。在如此高速旋转下，离心力能够轻易地损坏电枢绕组，
16、正是因为这个原因，串励电机绝对不允许空载运行（或很轻的负载运行）。（通常规定：串励电动机与生产机械相连时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，而应采用齿轮或直接联轴器来拖动）因为在串励电机中，电枢电流直接与气隙磁通相关联，关于输出力矩的式（6.2）可以修改并记作如下形式：（6.10）因此，对串励电机来说，输出力矩是电枢电流平方的函数，这表明与输出力矩与电枢电路成线性关系的并励电机是相反的（是非线性关系）。当然，复励电机则呈现一种介于两者之间的一种关系。值得注意的是：当串励电机做出反应以产生大的力矩时，转速也相应地下降了。正是这种能力，使得串励电机非常适用于牵引型负载。直流电机超越其他类型电
17、机的另一引人注目的优点是相对容易地实现速度控制。各种各样的速度控制策略可以从式（6.6）中推导出来，重复列写如下，其中有一处修改：（6.11）修改之处在于包含了一个外加的电枢电路电阻Re。通过对式（6.11）的观察，发现：速度控制可以通过调节式子右侧的三个参数之一而实现，它们是：、和。最简单的方法是调节，采用如图6.5所示的励磁变阻箱，如果励磁变阻箱的电阻增大，则气隙磁通减弱，将产生更高的旋转速度。一般用途的并励直流电机通过此种速度控制方法实现200%的额定转速控制。然而，因为弱化了磁场磁通，高速时（所发出）的允许力矩要相应地减小，为了防止过高的电枢电流。调速的第二种方法是采用外加的电阻，其连
18、接在电枢电路上，如图6.8所示。该电阻的尺寸和成本远大于励磁变阻箱的尺寸和成本，因为必须能够应付全部的电枢电流。式子（6.11）表明：电阻越大，速度调节范围则越广。通常情况下，外加电阻以提供额定转速下降50%的大小来选择。该方法的主要缺点是运行效率差，例如：速度下降50%，电阻两端将有一半的终端电压降，相应地，约50%的电网输入能量在电阻中以发热的形式消耗掉了。尽管如此，电枢电路阻抗控制方法经常会用到，尤其是对于串励直流电机。第三种也是最后一种速度控制方法是调整终端电压。从应用灵活性和运行效率的角度来看，该方法是最理想的。但是，因为需要独立的直流电源，该方法是最昂贵的。该方法意味着必须要买一套
19、电机发电机组，其容量至少要等于被控电机的容量。这样的费用通常是不合理的，除非对于那些用该方法获得超高性能而不可缺少的情况，例如在轧钢应用场合，终端电压控制，又称为Ward-Leonard系统。6.4 三相感应电动机感应电机的一个突出优点就是它是一个单励电机。虽然此类电机具有一个励磁绕组和一个电枢绕组，但是，在正常的使用过程中，电源直接连接在一个绕组上，即励磁绕组。通过电磁感应，电流流过电枢绕组，这就形成了载流导体分布，与磁场分布相互作用而产生一个单方向的净力矩。载流体中感生电流的频率受载流体所在的转子旋转速度的影响。然而，转子转速和电枢电流频率之间的关系导致了定子磁动势和转子磁动势相对静止【见
20、许实章电机学229(pdf页数，而非页码)】。结果，单励的感应电机能够在任意一个低于同步转速产生力矩。正因为这个原因，感应电机被归为异步电机之列。与其相反，同步电机是一种只能在一个转子转速下产生净力矩的机电能量转换装置【参看许实章电机学有关同步电机内容】。同步电机的突出特点是其为双边励磁装置，除了用作磁阻电动机（凸极无励同步电动机）之外。三相感应电机的突出结构特点在5.3节中已加以描述。因为感应电机是单边励磁的，所以，励磁电流和做功电流从同一线路中流过是必须的。而且，因为在感应电机的磁路中存在气隙，所以外加电压要产生相当数量的励磁电流用来建立所需的每一磁极的磁通。通常情况下，三相感应电机的励磁
21、电流大小为额定电流的25-40%。因此，可知感应电机运行在轻载情况下，功率因数很低；在额定功率输出附近，功率因数略小于1。控制器的基本功能是提供正确的启动、停止和反转，同时不给电机、其他负载和电源系统带来损坏或不方便。而且，控制器还完成其他有用的功能，主要如下:（1）限制启动力矩。过大的启动力矩会损坏某些连接到电机轴上的负载。例如，风扇叶片会折断，或存在间隙的齿轮传动箱会断齿。控制器在启动时降低电压，并随着转速的提高而协调地增大到全电压。（2）限制启动电流。多数超过2.38千瓦的电机不能直接通过三相电网启动，因为这样会造成过大的启动电流。回想一下：在单位转差率下，电流只取决于通常很小的漏磁阻抗
22、，大电机情况下漏磁阻抗更小。大启动电流很令人讨厌，因为会造成电灯闪烁、可能使其他相连的电机停转。降压启动很容易地消除这一烦人的问题。（3）提供过载保护。所有通用的电机均设计为连续输出满负荷而无过热。然而，如果某种原因造成电机连续输出150%额定功率的话，电机会提供所需功率直到在运行过程中烧毁。电机的功率等级划分是基于励磁绕组和电枢绕组所用绝缘材料所能容忍的允许温升的。铜损产生热而导致温度升高。只要这些铜损没有超过额定值，对电机来说就没有危险，但是，如果超过所允许的值，就会造成损坏。保持温升在安全范围之内是电机运行的内在要求。因此，提供此种保护也是控制器的功能。通过选用合适的延时继电器可以实现过
23、载保护，延时继电器对电机线电流产生的热很敏感。（4）提供欠压保护。长时间降压运行对电机有害，尤其是当负载需要额定功率时。如果线电压下降到预设值之下时，在控制器作用下，电机自动地与三相电源断开连接。6.5 三相感应电动机的速度-力矩特性转矩随速度或转差率的变化是三相感应电机的一个重要特性。该曲线的一般形状可以根据基本的转矩方程（6.12）和性能计算步骤等确定下来。（6.12）其中，p-磁极对数 Z2-电枢绕组的导体数目 Kw2-电枢绕组系数 I2-每相电枢绕组电流当电机运行在小转差率情况下，例如空载，转子电流几乎为零，使得所输出的力矩只能够提供旋转损失。当转差率从零升高到10%时，公式（6.13
24、）表明电机电流的增长几乎为线性。（6.13）这是因为阻抗的虚部sx2与r2相比很小。而且，表明公式（6.12）中的相位角等于转子的功率因数角，即：（6.13）当转差率继续增加时，电路继续增加，但是与起先先比，增幅有所下降。其原因在于转子阻抗中虚部sx2的比重增加；另外，相位角开始快速增大，使得cos的减小速度大于电流的增大速度。由于转矩方程中包含有两个对立的系数，完全有理由得到这样一个转折点，在该点之后，随着转差率继续增加会导致所产生的力矩减小。换句话说，公式（6.12）中快速减小的系数cos，超过了轻微增加的系数I2。随着相位角的增大，用于产生力矩的磁场变得越来越没有作用，因为，在给定的磁极
25、磁通下，出现了越来越多的产生负向力矩导体，因此，合成的整个机械特性曲线呈现如图6.9所示的形状。当转差率为1时，即，转速为零时，所产生的力矩为启动力矩。图6.9所示的情况表明：此种电机的启动力矩是稍稍超过额定转矩的，对于某种电机来说是很典型的。启动力矩的计算方法同任何转差率下的力矩计算方法一样，只不过是S=1而已，转子电流的数值是固定的，为：（6.15）对应的气隙功率为：（6.16）这里，q-为电枢绕组的相数令人感兴趣的是提高静止时的铜损会带来更高的启动力矩。在单位转差率下，输入阻抗很低，以至于流过大的启动电流。公式（6.15）很清楚地说明了这一点。为了限制过大的启动电流，额定功率超过2.38
26、Kw的电机通常采用降压启动的方法启动，当然，在降压启动方式下，启动力矩也会减小。事实上，如果启动时采用50%额定电压的话，那么，由公式（6.16）可以清楚地得出：启动力矩只有全压情况下的四分之一。三相感应电机的另一个重要力矩参数是最大输出力矩。该参数很重要，以至于该参数经常是电机设计的出发点，最大力矩（极限力矩）是衡量电机储备功率的一个指标，其经常是额定转矩的200-300%，允许电机短时间内运行在峰值负载。然而，不能连续输出最大负载，因为过大的电流会损坏电机的绝缘。因为输出力矩与气隙功率成正比，所以，当力矩最大时，气隙功率Pg也是最大的，另外，当最大传递功率传递到等效电路电阻时，气隙功率最大
27、。应用最大功率传输定律于等效电路，可得如下结果：（6.17）即，当气隙电阻等于电源的输出阻抗时，最大功率传输到气隙电阻上。因此，在最大力矩处的转差率Sm由下面公式推出：（6.18）注意：采用大的转子电阻可以提高发生最大力矩时的转差率数值。事实上，一些感应电机被设计成以最大力矩作为启动力矩，即Sm=1。最大力矩处的转差率Sm已知，对应的转子电流可以得出，带入力矩方程可以得出极限力矩，即：（6.19）审视公式（6.19）可以发现有趣的信息：最大转子绕组的电阻无关，因而，提高转子绕组的电阻，会提高发生极限力矩处的转差率，但保持力矩大小不变。图6.10显示增大转子电阻后的机械特性。（以上内容仅供参考）
28、第七章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email（qiulk）进行讨论和交流。第七章 电机控制系统 前面章节主要讨论了电机的类型和结构特点。本章将概述几种用于电机的功率控制系统。7.1 控制符号熟悉那些通常应用于电机控制系统的电气符号是很有必要的，一些常用的电机控制符号如图7.1所示。7.2 用开关来控制电机（电机的开关控制）电机控制的一个重要类型是通过开关器件来控制。许多类型的开关可以用于控制电机，开关的功能是闭合和断开一个电路，然而，还可以实现很多复杂的功能。7.2.1 闸刀开关（toggle switch）闸刀开关是最简单的开关类型之一，几种闸刀开关的电气符号
29、如图7.2所示。注意这些符号用于表示多种类型的闸刀开关。7.2.2 按钮开关（pushbutton switch）按钮开关广泛应用于电机控制。许多电机应用场合使用按钮开关作为控制电机起动、停止和反转的途径。按钮由手工操作实现电机控制电路的断开与闭合。用于控制电机的按钮有多种类型。按钮通常安装在被称为电机控制台的机壳上。 通常，按钮要么是常闭型、要么是常开型，然而，在实际应用中会有一些变化。一个常闭型按钮是闭合的，直到其被手动按下，当其被按下时，将会断开一个电路；常开型按钮是断开的，直到其被手动按下，一旦被按下，将会闭合一个电路。电机控制台的“起动”按钮是常开型的，而“停止”按钮是常闭型的。7.
30、2.3 旋转开关（Rotary switch）另一种常用的开关是旋转开关，通过采用旋转开关可以将许多不同的开关组合连接起来。旋转开关的轴上安装有一组可动触点，当转轴被旋转到不同位置时，这些可动触点与安装在瓷片上的不同静止触点相结合，在任何一个位置处，转轴可以锁定位置。旋转开关通常通过手动顺时针或反时针旋转转轴进行控制。通常在转轴的末端安装一个手柄，用于更容易地转动转轴。7.2.4 限位开关（Limit switch）限位开关仅仅是一个开通/关断的开关装置，其通过机械运动改变电气控制电路的运行。机械运动产生的电气控制电流用于限制机床的运动，或改变器运行顺序。在工业上，限位开关常被用于顺序、行程、
31、分类和计数等操作，它们常常被用于液压和气动控制、电气继电器或其他电机驱动的机床，例如钻床、车床或传送系统。其最基本形式是，限位开关将机械运动转变为一个电气控制电流。注意凸轮机构，其为通常安装在机床上的一个外部零件。凸轮施加外力到限位开关的执行机构上。执行机构是限位开关的一个部件，使内部常开或常闭触点改变状态。执行机构运行要么归因于凸轮机构的直线运动，要么归因于凸轮机构的旋转运动，这些运动施加力到限位开关。与限位开关相关的其他专业术语有：预行程和过行程。预行程是改变限位开关的常开或常闭触点状态之前，执行机构必须运动的一段距离。过行程是状态改变后执行机构运动的一段距离。在限位开关使用的机器装置中，预行程和过行程是很重要的参数。7.2.5 温控开关（Temperature switch）温控开关是控制装置中常用的一种开关。温控开关的控制元件由一定数量的液体组成。当温度升高时，这些液体的体积增大。因而，温度上的变化可以用于改变温控开关机壳内的一组触点位置。在一定温度设定范围内，温控开关是可调的。7.2.6 压力开关（Pressure switch）另一种电气控制元件是压力开关。压力开关有一组电气触点，其状态的改变归因于空气、流体、水或其他媒介的压力变化。一些压力开关是薄膜驱动的，依赖于媒介，例如空气，的吸入和排出，其动作发生在机壳内的薄膜机构上。另一种
