第1章 电气传动的基本概念
1.1 电气传动的任务和发展趋势
电气传动既是一个理论性很鲜明的学科，也是一门实践性很强的应用技术。
电气传动的第一项功能是能量转换——借助于电动机把电能转变为机械能，这是现代工业、农业、交通运输业、公用事业、家用电器、医疗机械等所有人类活动领域中所必需的。我们日常所见到的生产流水线和单体工作机械几乎全部都是用电气传动设备驱动的。
电气传动的第二项功能是运动控制——其本质就是对工作机械的执行机构实施位置、速度或转矩控制。
每个工作机械都需要控制：接通/分断电动机的电源属于简单的控制；根据工艺条件和要求改变电动机的速度或转矩属于高级的控制。为了保护工作机械和电气传动设备，还要实施必要的保护和联锁，这属于安全方面的控制。现代电气传动系统的操作，可通过手动、自动或程序控制实现。为了保证执行过程的准确性，即使是手动操作的功能，也要依靠自动化设备来实现，这属于操作方面的控制。
把电气传动的两种功能结合起来，在电能转换成为机械能的同时，实现控制机械运动的性能指标（功率、力、转矩、速度、加速度、位移和角位移），合理地完成工艺过程，这就是电气传动在生产设备中的作用。
下面以几个实例分析电气传动的功能。
图1-1所示为一台用于车间空气交换的排风机的电路图，这种排风机的控制属于手动控制。
异步电动机M把电能转变为机械能，带动风机的叶片旋转。为了使风机工作，需要使电动机接通/分断电源。这个控制功能是由主接触器KM和控制按钮实现的。当按下起动按钮SB1时，主接触器线圈通电，它的常开主触头闭合，电动机M与电源接通，风机开始转动。当停止按钮SB2被按下时，主接触器的线圈失电，它的主触头分开，电动机与电源分断，风机停止。
图1-1 排风机的电路图
图1-1中还可以看到保护控制的器件。断路器QF中装有大电流瞬动脱扣机构，当电路中发生电流短路时可以很快切断电源。电动机的过载保护是由热继电器FR完成的。
电气传动的第二个例子是电梯。电梯是垂直输送人员和物品的机电设备。乘客进入电梯轿厢，按下目的楼层的按钮，电梯会自动关闭轿厢门并动朝着选择的方向运行，到达指定的楼层后轿厢门自动打开。电梯的原理是由一台电动机和减速机以及转鼓-钢绳机构实现把电能转变为轿厢垂直运动的机械能。电梯的运动控制包括电动机的起动/停止控制、加速/减速控制以及轿厢门的开闭控制之类的辅助控制。出于对电梯舒适性的考虑，电动机的起动/停止、加速/减速都要做到平滑稳定。而电梯的方向选择、准确停车、轿厢门开闭也属于运动控制的范围。为了完成这些功能，必须按照一定的规律控制电动机的运行。此外，为了确保设备可靠运行和乘客的安全，控制系统还要提供必要的保护联锁功能并且能够显示轿厢的状态信息。电梯控制属于自动控制的范畴。
第三个电气传动的例子是家用全自动洗衣机。这种洗衣机是程序控制的代表性机电产品，其中包含一台多速电动机、主要的工作机构是带传动的滚筒，附属的部件有电动水泵、电动阀门和控制电路板及其程序。全自动洗衣机就是预先将洗衣的全过程（注水—浸泡—洗涤—漂洗—脱水—排水）设置成为数个子程序，洗衣时选择其中一个程序，只要打开水龙头和按下洗衣机开关后，洗衣的全过程就会自动完成。各个电气部件和机械部件的工作是由控制电路板中的程序控制的。有了程序的组织与协调，一个个单独的部件就可以共同构成一个自动化的机电系统，就能完成复杂的工作过程。像这样由程序控制的电气传动设备，仍然离不开电动机实现电能向机械能的转变。程序控制装置负责协调各个部件动作并按照预先设置的程序完成整个工作过程。
电气传动还有一个重要使命就是创建新的节能技术。许多工艺过程都需要消耗大量的电能，但这些被消耗的电能不是完全用于生产过程，其中的部分电能被无谓地浪费掉，典型例子是水泵供水系统。以前供水系统使用的是恒速的电气传动设备，无法调节水泵的输出流量，而只能通过改变调节阀门的开度改变管网阻力调节流量。实际上用户在每个季节甚至每天的不同时段所需要的水量并不固定。如果采用阀门调节流量，一部分电能没有变成有用功，而是白白消耗于管网阻力。此外，操作阀门调节流量很难实现自动化操作模式。
现在流行的作法是采用可调速的异步电动机控制水泵的流量。可调速的水泵可以实现两个功能：其一，把电能转变为供水所需要的机械能；其二，控制水泵的工作转速，维持供水的压力和流量。这种调节水泵转速的做法可以节电20%～30%，节水10%～20%。如果是供暖用调速水泵，还可以节热5%～10%。这个例子说明，电气传动中的调速技术不但可以优化工艺过程，而且还可以节省大量宝贵的电能。
对于很多机器的工作机构，调节速度是它们进行工作的先决条件。也就是说，如果没有可调速的电气传动，很多机器将无法工作。矿山机械中的电铲（又称挖掘机）就是这方面的例子（见图1-2）。
图1-2 国产的WK-56型矿山用电铲
电铲的挖掘工作机构是铲斗、铲杆、转鼓-钢绳构成的提升机构、可以旋转的铲身以及行走用履带。铲斗在挖掘已经被破碎的岩石时，要借助于铲杆的前推和钢绳的提升。当铲斗装满时，要把铲斗提高到适当的高度。回转铲身使铲斗底部对准运输车辆的货厢，卸下岩石后回转到原位置，重复挖掘动作。行走履带动作可使电铲前进或后退。
电铲的电气传动结构很复杂，简化后的电气框图如图1-3所示。
图1-3 矿山用电铲的电气传动系统结构图
电铲在其作业区域内可以小范围的移动位置。为此，在电铲的作业区域设有6kV或者10kV的电源配电柜，通过柔性的高压电缆向电铲提供电源。在电铲的侧面有引入电源的受电环和配电保护的高压配电柜。同步电动机-直流发电机组向各个运动机构的电动机供电。通过调节各个电动机的励磁电流改变各个驱动电动机的转速。现代的电铲的电气传动开始采用晶闸管-直流电动机或变频器-交流电动机的传动方式。
电铲基本动作包括钢绳提升、铲杆推压、铲身回转和履带行走。它们分别由各自的直流发电机-电动机组所驱动。为了操纵电铲，在电铲司机的座椅前还安装了操作台。机械传动机构包括减速机、转鼓-钢绳机构，推压齿条机构、回转齿圈机构和履带行走机构。
电铲是负荷变化很大的机械，一般铲斗的容积有4～20m3，大型电铲的铲斗容积达到数十立方米。电铲的运动部分的质量也有数百吨，需要有足够的传动功率。同时，还要使铲斗的运动与司机操作的动作相匹配。所以电铲的电气传动系统应该满足如下要求：
（1）在正常工作范围内负荷增大时转速下降必须很小，即机械特性硬，以保证有很高的生产率；
（2）当负荷超过容许值，例如铲斗在清理岩石根部或被大块矿石卡住时，转速应能迅速下降并自动限制堵转电流，以保证机电设备不受损坏，这就是通常所说的挖土机特性；
（3）电铲的提升、推压和回转机构处于频繁的起制动和正反转，挖掘周期约为20～30s，要求具有快速的过渡过程。
可以说电铲的电气传动系统是一个足够复杂的自动化系统。
工业领域的电气传动中，数控机床的电气传动系统被认为是最为复杂的。数控机床可以按照事先编制好的程序动作，自动加工出高精密度的零件。
数控装置（Computer Numberical Controller CNC）存有加工程序并能实现控制功能，是数控机床的大脑。电气传动装置是数控机床的执行部分，包括主轴传动和多个进给传动等。当几个坐标的进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。这就要求数控机床的电气传动具有如下特点：
（1）高精度调速特性，调速范围接近万分之一；
（2）具有高精度定位功能，工件定位精度可达微米级；
（3）多坐标协调进给，完成插补功能，进给精度高达微米级；
（4）可以高精度保持在指定的速度，并且具有很高的动态响应能力。
由此可见，现代数控机床（见图1-4）是一种基于高精度自动化电气传动的机电设备，数控机床的工作是由数控装置总体控制的程序控制系统。
再举一个电气传动在交通运输方面的例子。
由于石油资源日益减少，电动汽车越来越普遍。一些汽车公司推出的轻型电动汽车，其运行特性已经不亚于传统汽车。电动汽车的主要优点就在于环境保护方面的优势，这一优势确保它将在未来几十年中得到广泛应用。目前电动汽车有两种动力方式：混合动力汽车和单纯使用蓄电池的电动汽车。混合动力的驱动方式有几种类型，其中比较简单的是电动车轮方式。这种混合动力汽车利用内燃机带动发电机旋转发电，利用可以充电的蓄电池作为缓冲电源。由于内燃机工作于恒定速度状态，燃油消耗相对较低，有害废气排放量降至最小。驱动车轮的交流电动机由蓄电池通过变流器供电。在下坡和制动时，动能可以通过电动机和变流器逆变成电能为蓄电池充电。图1-5所示为混合动力汽车电气传动结构示意图。
图1-4 数控机床
图1-5 混合动力汽车电气传动结构示意图
通过上述例子可以说明，电气传动装置是各种生产机械和工艺装备中的重要组成部分。通常电气传动系统是工作机械设计中工作最为复杂的部分，也是价格最为昂贵的部分。设计、制造和维护电气传动系统的专业人员必须是经过培训并且具备多种技能的高度熟练的技术人员。一个合格电气传动的技术人员必须熟悉电路原理、电子技术、电力电子技术、电机学、电气传动、自动控制系统、自动控制理论、计算机技术等课程，还要对高等数学、物理学、工程数学有较深刻的了解。