PAGE40PAGE自動化PART1ElectricalandElectronicEngineeringBasics

UNIT1AElectricalNetworks————————————3

BThree-phaseCircuits

UNIT2ATheOperationalAmplifier———————————5

BTransistors

UNIT3ALogicalVariablesandFlip-flop——————————8

BBinaryNumberSystem

UNIT4APowerSemiconductorDevices——————————11

BPowerElectronicConverters

UNIT5ATypesofDCMotors—————————————15

BClosed-loopControlofDCDrivers

UNIT6AACMachines———————————————19

BInductionMotorDrive

UNIT7AElectricPowerSystem————————————22

BPowerSystemAutomation

PART2ControlTheory

UNIT1ATheWorldofControl————————————27BTheTransferFunctionandtheLaplaceTransformation—————29

UNIT2AStabilityandtheTimeResponse—————————30

BSteadyState—————————————————31

UNIT3ATheRootLocus—————————————32

BTheFrequencyResponseMethods:NyquistDiagrams—————33

UNIT4ATheFrequencyResponseMethods:BodePiots—————34

BNonlinearControlSystem37UNIT5AIntroductiontoModernControlTheory 38BStateEquations 40UNIT6AControllability,Observability,andStability BOptimumControlSystems UNIT7AConventionalandIntelligentControl BArtificialNeuralNetwork PART3ComputerControlTechnology UNIT1AComputerStructureandFunction 42BFundamentalsofComputerandNetworks 43UNIT2AInterfacestoExternalSignalsandDevices 44BTheApplicationsofComputers 46UNIT3APLCOverview BPACsforIndustrialControl,theFutureofControl UNIT4AFundamentalsofSingle-chipMicrocomputer 49BUnderstandingDSPandItsUses UNIT5AAFirstLookatEmbeddedSystems BEmbeddedSystemsDesign PART4ProcessControl UNIT1AAProcessControlSystem 50BFundamentalsofProcessControl 52UNIT2ASensorsandTransmitters 53BFinalControlElementsandControllers UNIT3APControllersandPIControllers BPIDControllersandOtherControllers UNIT4AIndicatingInstruments BControlPanels PART5ControlBasedonNetworkandInformation UNIT1AAutomationNetworkingApplicationAreas BEvolutionofControlSystemArchitecture UNIT2AFundamentalIssuesinNetworkedControlSystems BStabilityofNCSswithNetwork-inducedDelay UNIT3AFundamentalsoftheDatabaseSystem BVirtualManufacturing—AGrowingTrendinAutomation UNIT4AConceptsofComputerIntegratedManufacturingBEnterpriseResourcesPlanningandBeyond PART6SyntheticApplicationsofAutomaticTechnology UNIT1ARecentAdvancesandFutureTrendsinElectricalMachineDrivers BSystemEvolutioninIntelligentBuildings UNIT2AIndustrialRobot BAGeneralIntroductiontoPatternRecognition UNIT3ARenewableEnergy BElectricVehicles UNIT1

A電路

\o"合肥工業大學電氣06-3班"電路或電網絡由以某種方式連接的電阻器、電感器和電容器等元件組成。如果網絡不包含能源，如電池或發電機，那么就被稱作無源網絡。換句話說，如果存在一個或多個能源，那么組合的結果為有源網絡。在研究電網絡的特性時，我們感興趣的是確定電路中的電壓和電流。因為網絡由無源電路元件組成，所以必須首先定義這些元件的電特性.就電阻來說，電壓-電流的關系由歐姆定律給出，歐姆定律指出：電阻兩端的電壓等于電阻上流過的電流乘以電阻值。在數學上表達為:

u=iR(1-1A-1)式中u=電壓，伏特；i=電流，安培；R=電阻，歐姆。純電感電壓由法拉第定律定義，法拉第定律指出：電感兩端的電壓正比于流過電感的電流隨時間的變化率。因此可得到：U=Ldi/dt式中di/dt=電流變化率，安培/秒；L=感應系數，享利。電容兩端建立的電壓正比于電容兩極板上積累的電荷q。因為電荷的積累可表示為電荷增量dq的和或積分，因此得到的等式為u=，式中電容量C是與電壓和電荷相關的比例常數。由定義可知，電流等于電荷隨時間的變化率，可表示為i=dq/dt。因此電荷增量dq等于電流乘以相應的時間增量，或dq=idt，那么等式(1-1A-3)可寫為式中C=電容量，法拉。歸納式(1-1A-1)、(1-1A-2)和(1-1A-4)描述的三種無源電路元件如圖1-1A-1所示。注意，圖中電流的參考方向為慣用的參考方向，因此流過每一個元件的電流與電壓降的方向一致。有源電氣元件涉及將其它能量轉換為電能，例如，電池中的電能來自其儲存的化學能，發電機的電能是旋轉電樞機械能轉換的結果。有源電氣元件存在兩種基本形式：電壓源和電流源。其理想狀態為：電壓源兩端的電壓恒定，與從電壓源中流出的電流無關。因為負載變化時電壓基本恒定，所以上述電池和發電機被認為是電壓源。另一方面，電流源產生電流，電流的大小與電源連接的負載無關。雖然電流源在實際中不常見，但其概念的確在表示借助于等值電路的放大器件，比如晶體管中具有廣泛應用。電壓源和電流源的符號表示如圖1-1A-2所示。分析電網絡的一般方法是網孔分析法或回路分析法。應用于此方法的基本定律是基爾霍夫第一定律，基爾霍夫第一定律指出：一個閉合回路中的電壓代數和為0，換句話說，任一閉合回路中的電壓升等于電壓降。網孔分析指的是：假設有一個電流——即所謂的回路電流——流過電路中的每一個回路，求每一個回路電壓降的代數和，并令其為零。考慮圖1-1A-3a所示的電路，其由串聯到電壓源上的電感和電阻組成，假設回路電流i，那么回路總的電壓降為因為在假定的電流方向上，輸入電壓代表電壓升的方向，所以輸電壓在（1-1A-5）式中為負。因為電流方向是電壓下降的方向，所以每一個無源元件的壓降為正。利用電阻和電感壓降公式，可得等式(1-1A-6)是電路電流的微分方程式。或許在電路中，人們感興趣的變量是電感電壓而不是電感電流。正如圖1-1A-1指出的用積分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7

B三相電路

三相電路不過是三個單相電路的組合。因為這個事實，所以平衡三相電路的電流、電壓和功率關系可通過在三相電路的組合元件中應用單相電路的規則來研究。這樣看來，三相電路比單相電路的分析難不了多少。使用三相電路的原因在單相電路中，功率本身是脈動的。在功率因數為1時，單相電路的功率值每個周波有兩次為零。當功率因數小于1時，功率在每個周波的部分時間里為負。

雖然供給三相電路中每一相的功率是脈動的，但可證明供給平衡三相電路的總功率是恒定的。基于此，總的來說三相電氣設備的特性優于類似的單相電氣設備的特性。三相供電的機械和控制設備與相同額定容量的單相供電的設備相比：體積小，重量輕，效率高。除了三相系統提供的上述優點，三相電的傳輸需要的銅線僅僅是同樣功率大小單相電傳輸所需銅線的3/4。三相電壓的產生三相電路可由三個頻率相同在時間相位上相差120°電角度的電動勢供電。這樣的三相正弦電動勢如圖1-1B-1所示。這些電動勢由交流發電機的三套獨立電樞線圈產生，這三套線圈安裝在發電機電樞上，互相之間相差120°電角度。線圈的頭尾可以從發電機中全部引出，組成三個獨立的單相電路。然而一般線圈無論在內部或在外部均會相互連接，形成三線或四線三相系統。連接三相發電機線圈有兩種方法，一般來說，把任何類型的裝置連接到三相電路也存在兩種方法。它們是星（Y）形聯接和角（D）形聯接。大多數發電機是星（Y）形聯接，但負載可以是星（Y）形聯接或角（D）形聯接。星（Y）形聯接發電機的電壓關系

圖1-1B-2a表示發電機的三個線圈或相繞組。這些繞組在電樞表面上是按它們產生的電動勢在時間相位上相差120°分布的。每一個線圈的兩端均標有字母S和F(起始和終結)。圖1-1B-2a中，所有標有S的線圈端連接到一個公共點N，三個標有F的線圈端被引出到接線端A、B和C，形成三相三線電源。這種聯接形式被稱為Y形聯接。中性聯接經常被引出接到接線板上，如圖1-1B-2a的虛線所示，形成三相四線系統。交流發電機每相產生的電壓被稱為相電壓（符號為Ep）。如果中性聯接從發電機中引出，那么從任一個接線端A、B或C到中性聯接N間的電壓為相電壓。三個接線端A、B或C中任意兩個間的電壓被稱為線到線的電壓，或簡稱線電壓（符號為EL）。三相系統的三相電壓依次出現的順序被稱為相序或電壓的相位旋轉。這由發電機的旋轉方向決定，但可以通過交換發電機外的三條線路導線中的任意兩條(不是一條線路導線和中性線)來改變相序。將三相繞組排列成如圖1-1B-2b所示的Y形有助于Y形聯接電路圖的繪制。注意，圖1-1B-2b所示的電路與圖1-1B-2a所示的電路完全一樣，在每一種情況下，連接到中性點的每一個線圈的S端和F端都被引出到接線板。在畫出所有的接線點都標注了字母的電路圖后，繪制的相量圖如圖1-1B-2c所示。相量圖可顯示相隔120°的三相電壓

請注意在圖1-1B-2中每一個相量用帶有兩個下標的字母表示。這兩個下標字母表示電壓的兩個端點，字母順序表示在正半周時電壓的相對極性。例如，符號

表示點A和N間的電壓，在其正半周，A點相對于N點為正。在所示的相量圖中，已假定在正半周時發電機接線端相對于中性線為正。因為電壓每半周反一次相，所以我們也可規定在電壓的正半周A點相對于N點為負，但對每一相的規定要一樣。要注意到，如果是在電壓的正半周定義A點相對于N的極性(

)，那么

在用于同一相量圖中時就應該畫得同

相反，即相位差為180°Y形聯接發電機的任意兩個接線端間的電壓等于這兩個接線端相對于中性線間的電位差。例如，線電壓

等于A接線端相對于中性線間的電壓(

)減去B接線端相對于中性線間的電壓(

)。為了從

中減去

，必需將

反相，并把此相量加到

上。相量

和

幅值相等，相位相差60°，如圖1-1B-2c所示。由圖形可以看出通過幾何學可以證明

等于1.73乘以（）

或（）

。圖形結構如相量圖所示。因此，在對稱Y形聯接中星（Y）形聯接發電機的電流關系從發電機接線端A、B和C(圖1-1B-2)流到線路導線的電流必定從中性點N中流出，并流過發電機線圈。因此流過每一條線路導線的電流(

)必定等于與其相連接的相電流(

)。在Y形聯接中IL=IPUNIT2

A

運算放大器

\o"合肥工業大學電氣06-3班"

運算放大器像廣義放大器這樣的電子器件存在的一個問題就是它們的增益AU或AI取決于雙端口系統(m、b、RI、Ro等)的內部特性。器件之間參數的分散性和溫度漂移給設計工作增加了難度。設計運算放大器或Op-Amp的目的就是使它盡可能的減少對其內部參數的依賴性、最大程度地簡化設計工作。運算放大器是一個集成電路，在它內部有許多電阻、晶體管等元件。就此而言，我們不再描述這些元件的內部工作原理。運算放大器的全面綜合分析超越了某些教科書的范圍。在這里我們將詳細研究一個例子，然后給出兩個運算放大器定律并說明在許多實用電路中怎樣使用這兩個定律來進行分析。這兩個定律可允許一個人在沒有詳細了解運算放大器物理特性的情況下設計各種電路。因此，運算放大器對于在不同技術領域中需要使用簡單放大器而不是在晶體管級做設計的研究人員來說是非常有用的。在電路和電子學教科書中，也說明了如何用運算放大器建立簡單的濾波電路。作為構建運算放大器集成電路的積木—晶體管，將在下篇課文中進行討論。理想運算放大器的符號如圖1-2A-1所示。圖中只給出三個管腳：正輸入、負輸入和輸出。讓運算放大器正常運行所必需的其它一些管腳，諸如電源管腳、接零管腳等并未畫出。在實際電路中使用運算放大器時，后者是必要的，但在本文中討論理想的運算放大器的應用時則不必考慮后者。兩個輸入電壓和輸出電壓用符號U+、U-和Uo表示。每一個電壓均指的是相對于接零管腳的電位。運算放大器是差分裝置。差分的意思是：相對于接零管腳的輸出電壓可由下式表示(1-2A-1)式中A是運算放大器的增益，U+和U-是輸入電壓。換句話說，輸出電壓是A乘以兩輸入間的電位差。集成電路技術使得在非常小的一塊半導體材料的復合“芯片”上可以安裝許多放大器電路。運算放大器成功的一個關鍵就是許多晶體管放大器“串聯”以產生非常大的整體增益。也就是說，等式(1-2A-1)中的數A約為100,000或更多(例如，五個晶體管放大器串聯，每一個的增益為10，那么將會得到此數值的A)。第二個重要因素是這些電路是按照流入每一個輸入的電流都很小這樣的原則來設計制作的。第三個重要的設計特點就是運算放大器的輸出阻抗(Ro)非常小。也就是說運算放大器的輸出是一個理想的電壓源。我們現在利用這些特性就可以分析圖1-2A-2所示的特殊放大器電路了。首先，注意到在正極輸入的電壓U+等于電源電壓，即U+=Us。各個電流定義如圖1-2A-2中的b圖所示。對圖1-2A-2b的外回路應用基爾霍夫定律，注意輸出電壓Uo指的是它與接零管腳之間的電位，我們就可得到因為運算放大器是按照沒有電流流入正輸入端和負輸入端的原則制作的，即I-=0。那么對負輸入端利用基爾霍夫定律可得I1=I2，利用等式(1-2A-2)，并設I1=I2=I，

U0=(R1+R2)I(1-2A-3)根據電流參考方向和接零管腳電位為零伏特的事實，利用歐姆定律，可得負極輸入電壓U-：因此

U-=IR1，并由式(1-2A-3)可得：因為現在已有了U+和U-的表達式，所以式(1-2A-1)可用于計算輸出電壓，綜合上述等式，可得：最后可得：這是電路的增益系數。如果A是一個非常大的數，大到足夠使AR1>>(R1+R2)，那么分式的分母主要由AR1項決定，存在于分子和分母的系數A就可對消，增益可用下式表示這表明(1-2A-5b)，如果A非常大，那么電路的增益與A的精確值無關并能夠通過R1和R2的選擇來控制。這是運算放大器設計的重要特征之一——在信號作用下，電路的動作僅取決于能夠容易被設計者改變的外部元件，而不取決于運算放大器本身的細節特性。注意，如果A=100,000，而(R1+R2)/R1=10，那么為此優點而付出的代價是用一個具有100,000倍電壓增益的器件產生一個具有10倍增益的放大器。從某種意義上說，使用運算放大器是以“能量”為代價來換取“控制”。對各種運算放大器電路都可作類似的數學分析，但是這比較麻煩，并且存在一些非常有用的捷徑，其涉及目前我們提出的運算放大器兩個定律應用。1)第一個定律指出：在一般運算放大器電路中，可以假設輸入端間的電壓為零，也就是說，2)第二個定律指出：在一般運算放大器電路中，兩個輸入電流可被假定為零：I+=I-=0第一個定律是因為內在增益A的值很大。例，如果運算放大器的輸出是1V，并且A=100,000,那么這是一個非常小、可以忽略的數，因此可設U+=U-。第二個定律來自于運算放大器的內部電路結構，此結構使得基本上沒有電流流入任何一個輸入端。

B

晶體管

\o"合肥工業大學電氣06-3班"

簡單地說，半導體是這樣一種物質，它能夠通過“摻雜”來產生多余的電子，又稱自由電子（N型）；或者產生“空穴”，又稱正電荷（P型）。由N型摻雜和P型摻雜處理的鍺或硅的單晶體可形成半導體二極管，它具有我們描述過的工作特性。晶體管以類似的方式形成，就象帶有公共中間層、背靠背的兩個二極管，公共中間層是以對等的方式向兩個邊緣層滲入而得，因此中間層比兩個邊緣層或邊緣區要薄的多。PNP或NPN(圖1-2B-1)這兩種結構顯然是可行的。PNP或NPN被用于描述晶體管的兩個基本類型。因為晶體管包含兩個不同極性的區域（例如“P”區和“N”區），所以晶體管被叫作雙向器件，或雙向晶體管因此晶體管有三個區域，并從這三個區域引出三個管腳。要使工作電路運行，晶體管需與兩個外部電壓或極性連接。其中一個外部電壓工作方式類似于二極管。事實上，保留這個外部電壓并去掉上半部分，晶體管將會象二極管一樣工作。例如在簡易收音機中用晶體管代替二極管作為檢波器。在這種情況下，其所起的作用和二極管所起的作用一模一樣。可以給二極管電路加正向偏置電壓或反向偏置電壓。在加正向偏置電壓的情況下，如圖1-2B-2所示的PNP晶體管，電流從底部的P極流到中間的N極。如果第二個電壓被加到晶體管的頂部和底部兩個極之間，并且底部電壓極性相同，那么，流過中間層N區的電子將激發出從晶體管底部到頂部流過的電流。在生產晶體管的過程中，通過控制不同層的摻雜度，經過負載電阻流過第二個電路電流的導電能力非常顯著。實際上，當晶體管下半部為正向偏置時，底部的P區就像一個取之不竭的自由電子源（因為底部的P區發射電子，所以它被稱為發射極）。這些電子被頂部P區接收，因此它被稱為集電極，但是流過這個特定電路實際電流的大小由加到中間層的偏置電壓控制，所以中間層被稱為基極。因此，當晶體管外加電壓接連正確（圖1-2B-3）后工作時，實際上存在兩個獨立的“工作”電路。一個是由偏置電壓源、發射極和基極形成的回路，它被稱為基極電路或輸入電路；第二個是由集電極電壓源和晶體管的三個區共同形成的電路，它被稱為集電極電路或輸出電路。（注意：本定義僅適用于發射極是兩個電路的公共端時——被稱為共發射極連接。）這是晶體管最常見的連接方式，但是，當然也存在其它兩種連接方法——共基極連接和共集電極連接。但是在每一種情況下晶體管的工作原理是相同的。本電路的特色是相對小的基極電流能控制和激發出一個比它大得多的集電極電流(或更恰當地說，一個小的輸入功率能夠產生一個比它大得多的輸出功率)。換句話說，晶體管的作用相當于一個放大器。在這種工作方式中，基極-發射極電路是輸入側；通過基極的發射極和集電極電路是輸出側。雖然基極和發射極是公共路徑，但這兩個電路實際上是獨立的，就基極電路的極性而言，基極和晶體管的集電極之間相當于一個反向偏置二極管，因此沒有電流從基極電路流到集電極電路。要讓電路正常工作，當然，加在基極電路和集電極電路的電壓極性必須正確（基極電路加正向偏置電壓，集電極電源的連接要保證公共端（發射極）的極性與兩個電壓源的極性相同）。這也就是說電壓極性必須和晶體管的類型相匹配。在上述的PNP型晶體管中，發射極電壓必須為正。因此，基極和集電極相對于發射極的極性為負。PNP型晶體管的符號在發射極上有一個指示電流方向的箭頭，總是指向基極。（在PNP型晶體管中，“P”代表正）。在NPN型晶體管中，工作原理完全相同，但是兩個電源的極性正好相反（圖1-2B-4）。也就是說，發射極相對于基極和集電極來說極性總是負的（在NPN型晶體管中，“N”代表負）。這一點也可以從NPN型晶體管符號中發射極上相反方向的箭頭看出來，即，電流從基極流出。雖然現在生產的晶體管有上千種不同的型號，但晶體管各種外殼形狀的數量相對有限，并盡量用一種簡單碼——TO（晶體管外形）后跟一個數字為統一標準。TO1是一種最早的晶體管外殼——即一個在底部帶有三個引腳的圓柱體“外罩”，這三個引腳在底部形成三角狀。觀看底部時，“三角形”上面的管腳是基極，其右面的管腳（由一個彩色點標出）為集電極，其左面的管腳為發射極。集電極引腳到基集引腳的間距也許比發射極到基集引腳的間距要大。在其它TO外殼中，三個引腳可能有類似的三角形形狀（但是基極、集電極和發射極的位置不一定相同），或三個引腳排成一條直線。使人容易搞亂的問題是同一TO號碼的子系列產品其管腳位置是不一樣的。例如，TO92的三個管腳排成一條直線，這條直線與半圓型“外罩”的切面平行，觀看TO92的底部時，將切面沖右，從上往下讀，管腳的排序為1，2，3。（注otherwisecircular“can”中的otherwise譯為不同的，特殊的。在這里“特殊的圓形外罩”指的應該是普通的圓柱體“外罩”在圓平面上畫一條小于等于直徑的弦，沿軸線方向切入后形成的半或大半圓柱體，切入后形成的剖面就是文中說的aflatside，這也是現在很常見的一種晶體管外殼。）

對TO92子系列a(TO92a):

1=發射極2=集電極3=基極對TO92子系列b(TO92b):1=發射極2=基3=集電極更容易使人搞亂的是一些晶體管只有兩個管腳（第三個管腳已在里邊和外殼連接）；一些和晶體管的外形很像的外殼底部有三個以上的管腳。實際上，這些都是集成電路(ICs)，用和晶體管相同的外殼包裝的，只是看起來像晶體管。更復雜的集成電路（ICs）用不同形狀的外殼包裝，例如平面包裝。根據外殼形狀非常容易識別功率晶體管。它們是金屬外殼，帶有延長的底部平面，底部平面上還有兩個安裝孔。功率晶體管只有兩個管腳（發射極和基極），通常會標明。集電極在內部被連接到外殼上，因此，與集電極的連接要通過一個裝配螺栓或外殼底面。UNIT3

A

邏輯變量與觸發器

邏輯變量我們討論的雙值變量通常叫做邏輯變量，而象或和與這樣的操作被稱為邏輯操作。現在我們將簡要地討論一下這些術語之間的關聯，并在此過程中，闡明用標示“真”和“假”來識別一個變量的可能值的特殊用途。舉例說明，假設你和兩個飛行員在一架空中航行的飛機中，你在客艙中，而飛行員A和B在駕駛員座艙中。在某一時刻，A來到了你所在的客艙中，你并不擔心這種變化。然而，假設當你和A在客艙時，你抬頭發現B也已經來到了你所在的客艙中。基于你的邏輯推理能力，你將會推斷飛機無人駕駛；并且，大概你已聽到了警報，以致使駕駛員之一將迅速對此緊急情況作出響應。換句話說，假設每一位飛行員座位下面有一個電子裝置，當座位上有人時，其輸出電壓為V1，當座位上無人時，其輸出電壓為V2。現在我們用“真”來代表電壓V2，從而使電壓V1表示“假”。讓我們進一步制作一個帶有兩個輸入端和一個輸出端的電路，此電路的特性是：只要兩個輸入，即一個輸入同時和另一個輸入相與，結果為V2時，輸出電壓才是V2。否則，輸出是V1。最后，讓我們把輸入和飛行員A和B座位下的裝置聯結起來，并安裝一個與輸出Z相連的警鈴，當輸出是V2(“真”)時響應，否則不響應。這樣，我們已創建了一個執行與操作的電路，這個電路能完成當兩個駕駛員確實都離開駕駛艙時飛機是無人駕駛的邏輯推斷。概括一下，情形如下：符號A、B和Z代表命題A=飛行員A已離開座位為真（T）B=飛行員B已離開座位為真（T）Z=飛機無人駕駛，處于危險狀況時為真（T）當然，

、

和

分別代表相反的命題。例如，

代表的命題是當飛行員離開駕駛艙等時為假（F），以此類推。命題間的關系可寫為Z=AB

(1-3A-1)我們已經選擇用電壓來表示邏輯變量A、B和Z。但是必須注意，實際上式(1-3A-1)是命題間的關系，與我們選擇的表示命題的確切方式無關，甚至可以說與我們具有的任何物理表示形式無關。式(1-3A-1)指出，如果命題A和B都為真，那么命題Z就為真，否則命題Z為假。式(1-3A-1)是一個例子，這種命題代數被稱為布爾代數。和其它處理有數字意義的變量一樣，布爾代數處理的是命題，而且布爾代數對于分析僅有兩個互反變量的命題之間的關系是一種有效的工具。SR觸發器圖1-3A-1給出的一對交叉連接的或非門電路被稱為觸發器。其有一對輸入端S和R，分別代表“置位”和“復位”。我們不僅用符號S和R標明端點，而且指定端點的邏輯電平。因此，通常S=1指的是對應于邏輯電平為1的電壓出現在S端。相似的，輸出端和相應的輸出邏輯電平為Q和

。使用這樣的符號時，我們已經明確了一個事實，即在我們下面將看到的符號操作中，輸出的邏輯電平是互補的。觸發器基本的、最重要的特性是其具有“記憶”功能。也就是說，設置S和R目前的邏輯電平為0和0，根據輸出的狀態，即可確定S和R在其獲得當前電平之前的邏輯電平。術語為方便銜接下面的討論內容，介紹一些常見的術語，這有助于了解邏輯系統設計師中慣用的觀點。

在與非和或非門（以及與和或門）中，當用其來達到我們的設計意圖時，我們能夠任意選擇一個輸入端，并把其看成是使能-失效輸入，因此可考慮或非或或門。如果被選的一個輸入為邏輯1，那么門電路的輸出與所有的其它輸入無關。這個被選的輸入可控制門電路，其它所有輸入相對于這個門電路是失效的(術語“抑制”的同義詞為“失效”)。相反，如果被選輸入為邏輯0，那么它不能控制門電路，門電路能夠響應其它輸入。在與非或與門中，當被選輸入為邏輯0時，此輸入控制并截止門電路，因為一個輸入為邏輯0，那么門電路的輸出不能響應其它輸入。注意一方面是或非門和或門間的區別，另一方面是與非門和與門間的區別。在第一種情況下，當控制輸入轉為邏輯1時，其可獲得門電路的控制；在第二種情況下，當控制輸入轉為邏輯0時，其可獲得門電路的控制。在數字系統中，普遍的觀點是把邏輯0看成一個基本的、無干擾的、穩定的、靜止的狀態，把邏輯1看成激勵的、活躍的、有效的狀態，就是說，這種狀態是發生在某種操作動作之后。因此，當作用已產生時，其傾向將是定義最后的狀態作為對某邏輯變量已轉為1的響應。當“無操作發生”時，邏輯變量為邏輯0。類似地，如果作用將通過邏輯變量的變化產生，那么最好是以這樣的方式定義有關的邏輯變量，即當邏輯變量轉為邏輯1時達到此效果。在我們對觸發器的討論中，將看到持有此種觀點的例子

\o"合肥工業大學電氣06-3班"B

二進制數字系統

概述大約在1850年由喬治·布爾提出的代數學中，變量僅允許具有兩個值，真或假，通常被寫為1和0，對這些變量的代數運算是與、或和非。在1938年，香農認識到了此代數形式和電氣開關系統功能間的相似之處，在這種開關中存在有通-斷兩種狀態的器件。布爾代數的推理過程由充當邏輯電路的開關完成。已有大量集成電路可完成脈沖信號的邏輯操作，這些脈沖信號采用二進制數字系統，并利用電子器件的關斷和導通作為二進制系統的兩種狀態。二進制數字系統和其它代碼為了用晶體管直接計算十進制數，要求晶體管認識這10個狀態0、1、…、9，此操作要求的精度是電子器件并不具備的。將導通和關斷作為工作狀態，這樣的裝置可以在兩態即二進制系統中運行，因此數字計算機中的內部操作一般采用二進制系統。在十進制系統中，基數或底數為10，小數點左邊或右邊的每一個位都表示其權重增加或減少10的一次冪。在二進制系統中，底數為2，二進制小數點左邊或右邊的位具有的權重以2的冪次增加或減少。數字可被編碼為兩個電平的脈沖串，通常標為1或0，如圖1-3B-1所示。1-3B-1b中的脈沖序列能夠譯為：二進制：1′25+0′24+1′23+0′22+1′21+1′20=101011十進制：32

+

0

+

8

+

0

+

2

+

1=

43相反，在把十進制數43轉換為二進制形式的過程中，可使其連續被2除。每一次除后所得余數0或1即是二進制數的位數。十進制數43的轉化過程：等價于十進制數43的二進制數為101011。雖然二進制數僅需兩個信號電平，這種簡化的獲得是以附加的位數為代價的。在以r為底數的數制中表示n位十進制數，需要m位。其中等式右邊是一個整數，或選擇下一個較大的整數。對于一個10位的十進制數，可得m=33.2，因此必須使用34位二進制數。二進制位叫作比特。寫為0.1101的二進制小數意味著0.1101=1′2-1+1′2-2+0′2-3+1′2-4=1/2

+1/4

+0

+1/16二進制數0.1101表示為十進制數

=0.500+0.250+0.062=0.812小于1的十進制數的轉換可通過連續乘2獲得。對于結果在小數點左邊為1的每一步，記錄二進制數1，然后繼續計算所得十進制數的小數部分。對于結果在小數點左邊為0的每一步，記錄二進制位0，然后繼續計算。把十進制數0.9375轉化為二進制數，運算如下：等價于十進制數0.9375的二進制數可寫為0.11110。最高位是第一個獲得的二進制位，放置在二進制小數點的右邊。十進制數0到15的二進制等值表為:給出一串正脈沖和負脈沖，或正脈沖和零，或者零和負脈沖來表示二進制的1和0時，就會有許多這些脈沖可以傳遞的碼。計算機輸入最常見的碼就是BCD碼，每一個十進制數需要四個脈沖或二進制數。用此種代碼，每一個十進制位轉化為其二進制等值數如上表所示，也就是說，十進制數827用BCD碼表示為

1000

0010

0111計算機通過算術運算，能夠容易地把此類輸入轉化為純二進制形式。解碼器也能夠把BCD碼轉化為十進制形式。BCD碼在傳輸中不需附加位的情況下，能夠擴大到十進制數15，成為十六進制碼，通常使用字母a、b、L、f來表示10到15。在某些計算機操作中應用的另一種碼是八進制或8為底數的數制。采用的符號為0、1、2L、7，十進制數24可被寫為八進制數30(3′81+0′80)。八進制數字的二進制譯碼僅需要BCD表中三個最小的有效位，八進制數30的二進制譯碼為011000。因為十進制數24用純二進制形式可寫為11000，用八進制譯碼形式可寫為011000，所以需要指出二進制數字轉換為八進制數字的簡易方法。以三個位為一組劃分二進制數，每一組顯示為一個等值的八進制譯碼數，例如，十進制數1206以二進制表示為10010110110，以三個位為一組，可得：二進制：

010

010

110

110八進制：2

2

66八進制數是2266。通過使用導電塊上的電刷，光學讀卡機或碼盤，經常用格雷碼將角位移或直線位移轉換為二進制數。由于組合誤差，不能同時變化兩個數位以免產生不確定性。設計的格雷碼就是為了解決此問題，其在二進制數的每一步變換中，僅需變化一個位。此碼的一種形式是其它一些碼被設計來降低傳輸誤差，在這些碼中將1變為0或將0變為1。通常，檢測單一誤差的代碼可通過把檢驗位與原始碼相加獲得。合成碼將有偶數個或奇數個1，這些碼被稱為偶數奇偶校驗碼或奇數奇偶校驗碼，例如0000的奇數奇偶校驗碼將是10000；在任何位的誤差將使結果具有偶數個1，接收裝置將會進行校正。多重誤差可通過更為復雜的代碼形式探測UNIT4

A

功率半導體器件

功率半導體器件構成了現代電力電子設備的核心。它們以通-斷開關矩陣的方式被用于電力電子轉換器中。開關式功率變換的效率更高。現今的功率半導體器件幾乎都是用硅材料制造，可分類如下：二極管晶閘管或可控硅雙向可控硅門極可關斷晶閘管雙極結型晶體管電力金屬氧化物半導體場效應晶體管靜電感應晶體管絕緣柵雙極型晶體管金屬氧化物半導體控制的晶閘管集成門極換向晶閘管二極管電力二極管提供不可控的整流電源，這些電源有很廣的應用，如：電鍍、電極氧化、電池充電、焊接、交直流電源變頻驅動。它們也被用于變換器和緩沖器的回饋和慣性滑行功能。典型的功率二極管具有P-I-N結構，即它幾乎是純半導體層（本征層），位于P-N結的中部以阻斷反向電壓。圖1-4A-1給出了二極管符號和它的伏安特性曲線。在正向偏置條件下，二極管可用一個結偏置壓降和連續變化的電阻來表示，這樣可畫出一條斜率為正的伏安特性曲線。典型的正向導通壓降為1.0伏。導通壓降會引起導通損耗，必須用合適的吸熱設備對二極管進行冷卻來限制結溫上升。在反向偏置條件下，由于少數載流子的存在，有很小的泄漏電流流過，泄漏電流隨電壓逐漸增加。如果反向電壓超過了臨界值，叫做擊穿電壓，二極管雪崩擊穿，雪崩擊穿指的是當反向電流變大時由于結功率損耗過大造成的熱擊穿。電力二極管分類如下:標準或慢速恢復二極管快速恢復二極管肖特基二極管晶閘管閘流管或可控硅一直是工業上用于大功率變換和控制的傳統設備。50年代后期，這種裝置的投入使用開辟了現代固態電力電子技術。術語“晶閘管”來自與其相應的充氣管等效裝置，閘流管。通常，晶閘管是個系列產品的總稱，包括可控硅、雙向可控硅、門極可關斷晶閘管、金屬氧化物半導體控制的晶閘管、集成門極換向晶閘管。晶閘管可分成標準或慢速相控型，快速開關型，電壓回饋逆變器型。逆變器型現已淘汰。圖1-4A-2給出了晶閘管符號和它的伏安特性曲線。基本上，晶閘管是一個三結P-N-P-N器件，器件內P-N-P和N-P-N兩個三極管按正反饋方式連接。晶閘管可阻斷正向和反向電壓（對稱阻斷）。當陽極為正時，晶閘管可由一個短暫的正門極電流脈沖觸發導通；但晶閘管一旦導通，門極即失去控制晶閘管關斷的能力。晶閘管也可由陽極過電壓、陽極電壓的上升率（dv/dt）、結溫的上升、PN結上的光照等產生誤導通。在門電流IG=0時，如果將正向電壓施加到晶閘管上，由于中間結的阻斷會產生漏電流；如果電壓超過臨界極限（轉折電壓），晶閘管進入導通狀態。隨著門極控制電流IG的增加，正向轉折電壓隨之減少，最后，當門極控制電流IG=IG3時，整個正向阻斷區消失，晶閘管的工作狀態就和二極管一樣了。在晶閘管的門極出現一個最小電流，即阻塞電流，晶閘管將成功導通。在導通期間，如果門極電流是零并且陽極電流降到臨界極限值以下，稱作維持電流，晶閘管轉換到正向阻斷狀態。相對反向電壓而言，晶閘管末端的P-N結處于反向偏置狀態。現在的晶閘管具有大電壓（數千伏）、大電流（數千安）額定值。雙向可控硅雙向可控硅有復雜的復結結構，但從功能上講，它是在同一芯片上一對反并聯的相控晶閘管。圖1-4A-3給出了雙向可控硅的符號。在電源的正半周和負半周雙向可控硅通過施加門極觸發脈沖觸發導通。在Ⅰ+工作方式，T2端為正，雙向可控硅由正門極電流脈沖觸發導通。在Ⅲ-工作方式，T1端為正，雙向可控硅由負門極電流脈沖觸發導通雙向可控硅比一對反并聯的晶閘管便宜和易于控制，但它的集成結構有一些缺點。由于少數載流子效應，雙向可控硅的門極電流敏感性較差，關斷時間較長。由于同樣的原因，重復施加的dv/dt額定值較低，因此用于感性負載比較困難。雙向可控硅電路必須有精心設計的RC沖器。雙向可控硅用于電燈的亮度調節、加熱控制、聯合型電機驅動、50/60赫茲電源頻率的固態繼電器。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管，顧名思義，是一種晶閘管類型的器件。同其他晶閘管一樣，它可以由一個小的正門極電流脈沖觸發，但除此之外，它還能被負門極電流脈沖關斷。GTO的關斷能力來自由門極轉移P-N-P集電極的電流，因此消除P-N-P／N-P-N的正反饋效應。GTO有非對稱和對稱電壓阻斷兩種類型，分別用于電壓回饋和電流回饋變換器。GTO的阻斷電流增益定義為陽極電流與阻斷所需的負門極電流之比，典型值為4或5，非常低。這意味著6000安培的GTO需要1,500安培的門極電流脈沖。但是，脈沖化的門極電流和與其相關的能量非常小，用低壓電力MOS場效應晶體管提供非常容易。GTO被用于電機驅動、靜態無功補償器和大容量AC/DC電源。大容量GTO的出現取代了強迫換流、電壓回饋的可控硅換流器。圖1-4A-4給出了GTO的符號。電力MOS場效應晶體管與以前討論的器件不同，電力MOS場效應晶體管是一種單極、多數載流子、“零結”、電壓控制器件。圖1-4A-5給出了N型MOS場效應晶體管的符號如果柵極電壓為正并且超過它的門限值，N型溝道將被感應，允許在漏極和源極之間流過由多數載流子（電子）組成的電流。雖然柵極阻抗在穩態非常高，有效的柵—源極電容在導通和關斷時會產生一個脈沖電流。MOS場效應晶體管有不對稱電壓阻斷能力，如圖所示內部集成一個通過所有的反向電流的二極管。二極管具有慢速恢復特性，在高頻應用場合下通常被一個外部連接的快速恢復二極管旁路。

雖然對較高的電壓器件來說，MOS場效應晶體管處于導通時損耗較大，但它的導通和關斷時間非常小，因而開關損耗小。它確實沒有與雙極性器件相關的少數載流子存儲延遲問題。雖然在靜態MOS場效應晶體管可由電壓源來控制，通常的做法是在動態由電流源驅動而后跟隨一個電壓源來減少開關延遲。MOS場效應晶體管在低壓、小功率和高頻（數十萬赫茲）開關應用等領域得到極其廣泛的應用。譬如開關式電源、無刷直流電機、步進電機驅動和固態直流繼電器。絕緣柵雙極型晶體管在20世紀80年代中期出現的絕緣柵雙極型晶體管是功率半導體器件發展歷史上的一個重要里程碑。它們在中等功率（數千瓦到數兆瓦）的電力電子設備上處處可見，被廣泛用于直流/交流傳動和電源系統。它們在數兆瓦功率級取代了雙極結型晶體管，在數千瓦功率級正在取代門極可關斷晶閘管。IGBT基本上是混合的MOS門控通斷雙極性晶體管，它綜合了MOSFET和BJT的優點。它的結構基本上與MOSFET的結構相似，只是在MOSFET的N+漏極層上的集電極加了一個額外的P+層。IGBT有MOSFET的高輸入阻抗和像BJT的導通特性。如果門極電壓相對于發射極為正，P區的N型溝道受到感應。這個P-N-P晶體管正向偏置的基極—發射極結使IGBT導通并引起N－區傳導性調制，這使得導通壓降大大低于MOSFET的導通壓降。在導通條件下，在IGBT的等效電路中，驅動器MOSFET運送大部分的端子電流。由寄生N-P-N晶體管引起的與晶閘管相似的阻塞作用通過有效地減少P+層電阻系數和通過MOSFET將大部分電流轉移而得到預防。IGBT通過減小門極電壓到零或負電壓來關斷，這樣就切斷了P區的導通通道。IGBT比BJT或MOSFET有更高的電流密度。IGBT的輸入電容(Ciss)比MOSFET的要小得多。還有，IGBT的門極—集電極電容與門極—發射極電容之比更低，給出了改善的密勒反饋效應。金屬氧化物半導體控制的晶閘管金屬氧化物半導體控制的晶閘管(MCT)，正像名字所說的那樣，是一種類似于晶閘管，通過觸發進入導通的混合器件，它可以通過在MOS門施加一個短暫的電壓脈沖來控制通斷。MCT具有微單元結構，在那里同一個芯片上數千個微器件并聯連接。單元結構有點復雜。圖1-4A-7給出了MCT的符號。它由一個相對于陽極的負電壓脈沖觸發導通，由一個相對于陽極的正電壓脈沖控制關斷。MCT具有類似晶閘管的P-N-P-N結構，在那里P-N-P和N-P-N兩個晶體管部件連接成正反饋方式。但與晶閘管不同的是MCT只有單極（或不對稱）電壓阻斷能力。如果MCT的門極電壓相對于陽極為負，在P型場效應晶體管中的P溝道受到感應，使N-P-N晶體管正向偏置。這也使P-N-P晶體正向偏置，由正反饋效應MCT進入飽和狀態。在導通情況下，壓降為1伏左右（類似于晶閘管）如果MCT的門極電壓相對于陽極為正，N型場效應晶體管飽和并將P-N-P晶體管的發射極-基極短路。這將打破晶閘管工作的正反饋環，MCT關斷。關斷完全是由于再結合效應因而MCT的關斷時間有點長。MCT有限定的上升速率，因此在MCT變換器中必須加緩沖器電路。最近，MCT已用于“軟開關”變換器中，在那不用限定上升速率。盡管電路結構復雜，MCT的電流卻比電力MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一個較小的死區。1992年在市場上可見到MCT，現在可買到中等功率的MCT。MCT的發展前景尚未可知。集成門極換向晶閘管集成門極換向晶閘管是當前電力半導體家族的最新成員，由ABB在1997年推出。圖1-4A-8給出了IGCT的符號。基本上，IGCT是一個具有單位關斷電流增益的高壓、大功率、硬驅動不對稱阻塞的GTO。這表示具有可控3,000安培陽極電流的4,500VIGCT需要3,000安培負的門極關斷電流。這樣一個持續時間非常短、di/dt非常大、能量又較小的門極電流脈沖可以由多個并聯的MOSFET來提供，并且驅動電路中的漏感要特別低。門驅動電路內置在IGCT模塊內。IGCT內有一對單片集成的反并聯二極管。導通壓降、導通時電流上升率di/dt、門驅動器損耗、少數載流子存儲時間、關斷時電壓上升率dv/dt均優于GTO。IGCT更快速的通斷時間使它不用加緩沖器并具有比GTO更高的開關頻率。多個IGCT可以串聯或并聯用于更大的功率場合。IGCT已用于電力系統連鎖電力網安裝（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工業驅動。

B

電力電子變換器

電力電子變換器能將電力從交流轉換為直流（整流器），直流轉換為直流（斬波器），直流轉換為交流（逆變器），同頻率交流轉換為交流（交流控制器），變頻率交流轉換為交流（周波變換器）。它們是四種類型的電力電子變換器。變換器被廣泛用于加熱和燈光控制，交流和直流電源，電化學過程，直流和交流電極驅動，靜態無功補償，有源諧波濾波等等。整流器整流器可將交流轉換成直流。整流器可由二極管、可控硅、GTO、IGBT、IGCT等組成。二極管和相控整流器是電力電子設備中份額最大的部分，它們的主要任務是與電力系統連接。由于器件開通時損耗低，且其開關損耗幾乎可忽略不計，故該類整流器的效率很高，典型值約為98％。但是，它們的缺點是在電力系統中產生諧波，對其他用戶產生供電質量問題。此外，晶閘管變換器給電力系統提供了一個滯后的低功率因數負載。二極管整流器是最簡單、可能也是最重要的電力電子電路。因為功率只能從交流側流向直流側，所以它們是整流器。最重要的電路配置包括單相二極管橋和三相二極管橋。常用的負載包括電阻性負載、電阻-電感性負載、電容-電阻性負載。圖1-4B-1給出了帶RC負載的三相二極管橋式整流器。逆變器逆變器是從一側接受直流電壓，在另一側將其轉換成交流電壓的裝置。根據應用情況，交流電壓和頻率可以是可變的或常數。逆變器可分成電壓源型和電流源型兩種。電壓源型逆變器在輸入側應有一個剛性的電壓源，即，電源的戴維南電路等效阻抗應該為零。如果電源不是剛性的，再輸入側可接一個大電容。直流電壓可以是固定的或可變的，可從電網或交流發電機通過一個整流器和濾波器得到。電流注入或電流源型逆變器，像名字所表示的那樣，在輸入側有一個剛性的直流電流源，與電壓源型逆變器需要一個剛性的電壓源相對應。通過串聯大電感，可變電壓源可以在電流反饋控制回路的控制下轉換為可變電流源。這兩種逆變器都有著廣泛的應用。它們使用的半導體器件可以是IGBT、電力MOSFET和IGCT等等。圖1-4B-2給出了一種三相橋式電壓源型逆變器的常見電路。斬波器斬波器將直流電源轉換成另一個具有不同終端參數的直流電源。它們被廣泛用于開關式電源和直流電機啟動。其中一些斬波器，尤其是電源中的斬波器，有一個隔離變壓器。斬波器經常在不同電壓的直流系統中用作連接器。降壓和升壓斬波器是兩種基本的斬波器結構。分別稱作Buck斬波器和Boost斬波器。但是，要清楚降壓斬波器也是升流斬波器，反之亦然，因為輸入功率一定等于輸出功率。降-升壓斬波器既可降壓也可升壓。所有這些斬波器在電路結構上可有一、二、四象限的變化。圖1-4B-3給出了降壓斬波器的電路結構，它是一種電壓降、電流升斬波器。雙位開關由電路開關S和二極管組成。開關S以1/Ts的頻率通斷，導通時間為τ。電壓波形如圖1-4B-4所示。因此平均輸出電壓為平均電流為D為占空比，變化范圍是0~1。Is為直流電源輸出的平均電流。周波變換器周波變換器是一種變頻器，它將頻率固定的交流電轉換成不同頻率的交流電，具有一步變換過程。相控晶閘管變換器很容易被擴展為周波變換器。自控式交流開關，通常由IGBT組成，很容易被用作高頻鏈接周波變換器。晶閘管相控周波變換器被廣泛用于大功率工業應用。圖1-4B-5給出了周波變換器的框圖。對驅動交流電機的工業用周波變換器而言，輸入的50/60赫茲交流電在輸出側被轉換成可變頻、變壓的交流電來驅動電機。輸出頻率可從零（整流器工作）到一個上限值之間變化，上限值總是低于輸入頻率（降頻周波變換器），功率流可以是可逆的用于四象限電機速度控制。在變速恒頻系統中，輸入功率由與可調速渦輪機連接的同步發電機提供。如果同步發電機勵磁可調，則同步發電機電壓可調，但輸出頻率總是正比于渦輪機速度。周波變換器的作用是調解輸出頻率恒定（通常60或400赫茲）。圖1-4B-5給出了變頻轉換框圖。圖1-4B-5a一般用于先將輸入交流整流，然后通過逆變器轉換成可變頻交流。圖1-4B-5b，輸入交流先通過升頻周波變換器轉換成高頻交流，再由降頻周波變換器轉換成可變頻交流。UNIT5

A

直流電機分類

\o"合肥工業大學電氣06-3班"現在可以買到的直流電機基本上有四種：⑴永磁直流電機，⑵串勵直流電機，⑶并勵直流電機，⑷復勵直流電機。每種類型的電動機由于其基本電路和物理特性的不同而具有不同的機械特性。永磁直流電機永磁直流電機，如圖1-5A-1所示，是用與直流發電機同樣的方法建造的。永磁直流電機用于低轉矩場合。當使用這種電機時，直流電源與電樞導體通過電刷/換向器裝置直接連接。磁場由安裝在定子上的永磁磁鐵產生。永磁磁鐵電機的轉子是繞線式電樞。這種電機通常使用鋁鎳鈷永磁合金或陶瓷永磁磁鐵而不是勵磁線圈。鋁鎳鈷永磁合金用于大功率電機。陶瓷永磁磁鐵通常用于小功率、低速電機。陶瓷永磁磁鐵抗退磁性能高，但它產生的磁通量較低。磁鐵通常安裝在電機外殼里邊，在安裝電樞前將其磁化。永磁電機相對于常規直流電機有幾個優點。優點之一是減少了運行損耗。永磁電機的轉速特性類似于并勵式直流電機的轉速特性。永磁電機的旋轉方向可通過將電源線反接來實現。串勵式直流電動機直流電機電樞和激磁電路的連接方式確定了直流電機的基本特性。每一種直流電機的結構與其對應的直流發電機的結構類似。大部分情況下，二者的唯一區別在于發電機常作為電壓源，而電動機常作為機械能轉換裝置。串勵式直流電動機，如圖1-5A-2所示，電樞和激磁電路串聯連接。僅有一個通路供電流從直流電壓源流出。因此，激磁繞組匝數相對少、導線直徑大，以使激磁繞組阻抗低。電機軸上負載的變化引起通過激磁繞組電流的變化。如果機械負載增加，電流也增加。增加的電流建立了更強的磁場。當負載從零增加到很大時，串勵式電機的轉速從很高變化到很低。由于大電流可以流過低阻抗的激磁繞組，串勵式電動機產生一個高轉矩輸出。串勵式電動機用于啟動重負載，而速度調節并不重要的場合。一個典型應用是車輛啟動電機。并勵式直流電動機并勵式直流電動機是最常用的一種直流電機。如圖1-5A-3所示，并勵式直流電動機的激磁繞組與電樞繞組并聯連接。這種直流電機的激磁繞組匝數多、導線直徑小，因而阻抗相對比較高。由于激磁繞組是并勵式電動機電路的高阻抗并聯通道，流過激磁繞組的電流很小。由于形成激磁繞組的導線的匝數多，產生的電磁場很強。并勵式電動機的大部分電流（大約95%）流過電樞電路。由于電流對磁場強度幾乎沒有什么影響，電機轉速不受負載電流變化的影響。流過并勵式直流電動機的電流關系如下：IL=Ia+If公式中，IL—電機總電流Ia—電樞電流If—激磁電流。通過在激磁繞組中串聯一個可變電阻可以改變激磁電流。由于激磁回路電流小，低功耗可變電阻器可用于改變激磁繞組阻抗，進而改變電機轉速。激磁阻抗增加，激磁電流會減少。勵磁電流的減小會使磁場減弱。當磁通減少時，轉子會由于與減弱的磁場相互作用而加速旋轉。因此使用勵磁變阻器，并勵式直流電動機的轉速很容易調節。并勵式直流電動機具有優良的轉速調節功能。當負載增加時，由于增加了電樞繞組上的壓降，轉速稍微有一點降低。由于它的優良的轉速調節特性和轉速控制的簡易性，并勵式直流電動機通常用于工業場合。許多種可調速機床由并勵式直流電動機驅動。復勵式直流電動機圖1-5A-4所示的復勵式直流電動機有兩個激磁繞組，一個與電樞繞組串聯，一個與電樞繞組并聯。這種電機綜合了串勵式電機和并勵式電機的預期特性。復勵式電動機有兩種連接方法：累加與差動。累加復勵式直流電動機的串聯和并聯繞組的激磁方向一致。差動直流電動機的串聯和并聯繞組的激磁方向相反。串聯繞組的連接方法有兩種。一種方法稱為短并聯（見圖1-5A-4），這種方法是將并聯繞組跨接在電樞繞組兩端。長并聯方法是將并聯繞組跨接在電樞繞組和串聯繞組的兩端（見圖1-5A-4）。復勵式電機具有類似于串勵式電機的高轉矩，同時也具有類似于復勵式電機的優良的速度調節。因此，當既需要良好的轉矩特性又需要良好的速度調節時可采用復勵式直流電動機。復勵式直流電動機的一個主要缺點是價格貴。直流電機速度-轉矩特性在許多應用場合，直流電機用于驅動機械負載。某些應用場合要求電機驅動的機械負載變化時，而電機的轉速保持恒定。另一方面，某些應用場合要求調速范圍寬。想把直流電機用于特定場合的工程師必須了解電機的轉矩和速度之間的關系。首先我們討論并勵式電機，再把這種方法用于其它電機。為此，兩個相關的公式是轉矩和電流公式圖1-5A-5給出了并勵式、累加復勵式和串勵式電機轉速-轉矩特性的一般曲線。為便于比較，三條曲線都通過額定轉矩和額定轉速這個公共點。公式中的兩個變量是轉速n和電樞電流Ia。在電機輸出額定轉矩時，電樞電流輸出的是額定電樞電流，轉速輸出的是額定轉速。當負載轉矩為零時，電樞電流變得相對較小，使轉速n的分子項變得較大。這導致轉速上升。轉速增加的范圍取決于電樞電路壓降的大小與電樞端電壓的比值。

B

直流傳動的閉環控制

應用限流控制，也稱為并聯電流控制的閉環速度控制系統的基本示意圖如圖1-5B-1所示。ωm*為速度參考值。正比于電機速度的信號可從速度傳感器獲得。速度傳感器的輸出濾除交流波，并與速度參考值比較，速度誤差被速度控制器處理，速度控制器的輸出uc調整整流器的觸發角α，以使實際的速度接近于參考速度。速度控制器通常是PI(比例積分)控制器，具有三種作用——穩定驅動，調整阻尼比到期望值；通過積分作用，使穩態速度誤差接近于零；還是由于積分作用，可濾除噪音。傳動裝置采用限流控制，其目的在于防止電流超出安全值。只要IA<Ix，其Ix是IA的最大允許值，電流控制回路并不影響驅動。如果IA超出Ix，哪怕一點點，閾值電路也會產生一個大的輸出信號，電流環代替速度環起主要調節作用，電樞電流等于電機所允許的最大電流，并在此恒定電流下對速度誤差進行整。當速度接近于期望值時，IA下降到Ix以下，電流控制失效，速度控制接替。因此，在此示意圖中，在任意給定時間，傳動裝置主要由速度控制回路或電流控制回路控制，所以，也叫并聯電流控制。閉環速度控制的另一種示意圖如圖1-5B-2所示。在外環速度回路中采用內環電流控制回路。速度控制器的輸出ec用于電流控制器，為內環電流控制回路設置電流參考值Ia*。電流控制器的輸出uc調整逆變器的觸發角，以便使實際速度達到速度給定值ωm*所設置的值。由速度給定或負載轉矩的增加所引起的任何正的速度偏差，都會產生更大的參考電流值Ia*。由于Ia增加，電機加速，以調整速度誤差，最終停留在新的Ia*值上，使電機轉矩與負載轉矩相同，速度誤差接近于零。對于任何大的正的速度誤差，限流裝置飽和，且電流參考值Ia*限制為Iam*，傳動裝置的電流不允許超過最大允許值。在最大允許電樞電流下糾正速度誤差，直到速度偏差減小且限流裝置退出飽和狀態。現在，速度誤差在Ia小于最大允許電流值的情況下進糾正。負的速度誤差將設置負的電流參考值Ia*。因為電機電流不能反向，負的Ia*是沒用的。然而，它將“掌管”PI控制器。當速度誤差變正時，“被掌管”的PI控制器將花費較長時間響應，造成控制中不必要的延遲。因此，對于負的速度誤差，限流器的電流給定值被設為零。因為速度控制回路和電流控制回路串聯，因此內環電流控制也被稱為串聯控制。整體也被稱為電流操縱控制。由于具有如下優勢，其應用比限流控制更為普遍：1.對于任何電源電壓擾動，提供更快的響應。這可通過考慮兩個傳動裝置對于電源電壓降低的響應來解釋。電源電壓的降低將減少電機電流和轉矩。在限流控制中，由于電機轉矩小于未改變的負載轉矩，速度下降，造成的速度誤差通過設置較小的整流器觸發角達到原值。在內環電流控制的情況下，由于電源電壓的降低，電機電流的減少將產生電流誤差，改變整流器的觸發角，使電樞電流返回到原值。現在，暫態響應由電機的電時間常數控制，因為與機械時間常數相比，傳動裝置的電時間常數要小的多，所以對于電源電壓擾動，內環電流控制將提供較快的響應。2.對于確定的觸發形式，整流器和控制電路一起在連續導電下，具有恒定增益。為此增益而設計的傳動裝置設置的阻尼比為0.707，給出了百分之五的超調量。在不連續導電的情況下，增益下降。導電角減少越多，增益下降越大。在不連續導電的情況下，傳動裝置響應緩慢，當導電角減小時，響應日益惡化。如果企圖設計應用于不連續導電操作的傳動裝置，那么此傳動裝置可能對于連續導電都是振蕩的，甚至是不穩定的。內環電流控制回路提供了一個具有整流器和控制電路的閉環，所以增益的變化對于傳動裝置的性能影響較小。因此，帶有內環電流回路的傳動裝置的暫態響應優于限流控制。3.限流控制中，在限流開始作用前，電流首先必須超過允許值。因為觸發角只有在離散的間隔中才可改變，所以只有在限流有效前，實際的電流超調才會發生。小電機更能承受大的暫態電流，因此，為獲得快速的暫態響應，通過選擇較大尺寸的整流器,即可允許出現更大的暫態電流。只有當電流值反常時，才會需要電流調節。在這樣的情況下，由于簡化，限流控制被應用。這兩種形式對速度給定的增與降有不同的響應。速度給定的減少至多可使電機轉矩為零；由于不可能制動，所以轉矩不能反向。傳動裝置減速主要是由于負載轉矩，當負載轉矩很小時，對速度給定減少的響應將很慢，因此，這些傳動裝置適合帶有大的負載轉矩的應用場合，例如紙張打印機、泵和吹風機。UNIT6

\o"合肥工業大學電氣06-3班"A

交流機簡介

將電能轉換成機械能或將機械能轉換成電能的電機是傳動系統中的主要組成部分。從電學、機械學和熱學的角度看，電機具有復雜的結構。雖然一百多年前就開始使用電機，關于電機的研究與開發工作一直在繼續。但是，與電力電子器件和電力電子變換器相比，電機的發展十分緩慢。從傳統觀念上，由恒頻正弦電源供電的交流機一直用于恒速場合，而直流機則用于變速場合。但在最近二、三十年，我們已經看到在變頻、變速交流機傳動技術上取得的研究與開發成果，并且它們正逐步取代直流傳動。在大多數情況下，新設備都使用交流傳動。一般可將交流機分類如下：感應電機：鼠籠或繞線式轉子（雙饋），旋轉或直線運動；同步電機：旋轉或直線運動，啟動、繞線式激磁（轉子）或永磁磁鐵，徑向或軸向氣隙（圓盤狀），凸磁極或內（隱）磁極，正弦波磁場或梯形波磁場；變阻抗電機：開關磁阻電機，步進電機。感應電機在所有的交流電機中，感應電機，尤其是鼠籠型感應電機，在工業上得到了最廣泛的應用。這些電機價格便宜、結實、可靠，并且從不到一個馬力到數兆瓦容量的電機都可買到。小容量電機一般是單相電機，但多相（三相）電機經常用于變速傳動。

圖1-6A-1給出了一臺理想的三相、兩極感應電機，圖中定子和轉子的每一個相繞組用一個集中線圈來表示。三相繞組在空間上按正弦分布并嵌入在槽里。對繞線式轉子電機而言，轉子繞組與定子繞組類似，但鼠籠式電機的轉子具有鼠籠狀結構，并且有兩個短路環。基本上，感應電機可以看作是一個具有可旋轉并且短路的二次繞組的一臺三相變壓器。定子和轉子的核用層壓鐵磁鋼片制成，電機內的氣隙實際上是均勻的（非凸極結構）。感應電機的一個最基本的原理是在氣隙中建立旋轉和按正弦分布的磁場。如果忽略槽和由于非理想分布的繞組產生的空間諧波的影響，可以證明，在三相定子繞組中能以三相對稱電源建立一個同步旋轉的旋轉磁場。旋轉速度由公式(1-6A-1)給出Ne稱作同步轉速，單位是轉/分，（）

是定子頻率，單位是赫茲。P是電機的極對數。轉子繞組切割磁場，就會在短路的轉子中產生感應電流。氣隙磁通和轉子磁動勢的相互作用產生轉矩使轉子旋轉。但轉子的轉速低于同步轉速。因此稱它為感應電機或異步電機。為了滿足各種工業應用中對啟動和運行的要求，可從制造廠家得到幾種標準設計的鼠籠電機。最常見的轉矩-速度特性，與國家電氣制造協會的標準一致的，并很容易獲得和定型的設計，如圖1-6A-2所示。這些電機中最有意義的設計變量是轉子籠型電路的有效阻抗。A類電機這類電機適用于啟動負載低（諸如風扇、泵類負載）以便能快速達到全速，因而避免了啟動過程電機過熱的問題。對大容量電機而言，需要降壓啟動以限制啟動電流。B類電機這類電機是很好的通用電機，有著廣泛的工業應用。它們特別適合對啟動轉矩要求不是特別嚴格的恒速驅動。比如驅動風扇、泵類負載、鼓風機和電動發電機組。C類電機C類電機適合驅動壓縮機、輸送機等等。D類電機此類電機適合驅動要求迅速加速的間歇性負載和沖床、剪床這樣的高沖擊性負載。在驅動沖擊性負載的情況下，在系統中加一個調速輪。當電機轉速隨負載沖擊有點下降時，在負載沖擊期間調速輪釋放它的一部分動能。

同步電機

\o"合肥工業大學電氣06-3班"

同步電機，正像名字所表示的，一定是像公式(1-6A-1)那樣以同步速度旋轉。對感應電機恒速驅動應用而言，它是一位非常重要的競爭者。圖1-6A-3給出了一臺理想的三相、兩極繞線式激磁的同步電機。同步電機的定子繞組與感應電機的定子繞組一樣，但同步電機的轉子上有一個繞組，這個繞組通過直流電流，在氣隙中產生磁通，該磁通協助定子感應的旋轉磁場來拉動轉子與它一同旋轉。直流激磁電流由靜態整流器通過滑環和電刷提供給轉子，或由無刷勵磁電源提供。因為轉子總是以同步轉速旋轉，同步旋轉的de-qe軸與轉子的相對位置是不變的，如圖所示，de軸對應N極。在轉子中沒有定子感應的感應電勢，因此轉子的磁動勢僅由激磁繞組提供。這使得電機在定子側可以任意的功率因數運行，即引前、滯后或同相。從另一角度說，在感應電機中，定子給轉子提供勵磁使得電機功率因數總是滯后。轉矩產生的原理有點類似于感應電機。如圖所示的同步電機是凸極式同步機，因為轉子周圍的氣隙是不均勻的，不均勻的氣隙在d軸和q軸上造成了不對稱的磁阻。與其(凸極式同步機)對應的另一種電機是有均勻氣隙的圓柱體形轉子結構的電機(與異步機相似)，定義為隱極式同步電機。例如，水電站使用的低速發電機是凸極同步機，而火力發電廠使用的高速發電機是隱極式同步機。除激磁繞組之外，轉子通常有一個阻尼器，或叫阻尼繞組，它就像感應電機中短路的鼠籠棒。同步機更昂貴但效率也高一些。繞線式激磁繞組同步機通常用于大功率（數兆瓦）驅動。變阻抗電機變阻抗或雙阻抗電機，正像名字所表示的那樣，有兩個凸極，這意味著電機的定子和轉子都是凸極結構。如前所述，變阻抗電機有兩種：開關磁阻電機和步進電機。步進電機基本上是一種數字電機，即它根據數字脈沖運動固定的步數或角度。小型步進電機廣泛用于計算機外圍設備。然而，由于步進電機不適合調速應用場合，不再作進一步討論。有關文獻對開關磁阻電機驅動十分關注，最近做了許多工作來使其商品化以參與和感應電機的競爭。圖1-6A-4給出了有四對定子極對數、三對轉子極對數的四相開關磁阻電機的截面圖。電機轉子沒有任何繞組或永磁磁鐵。定子極上有集中繞組（不是正弦分布繞組），每一對定子極繞組，如圖所示，由變換器的一相供電。例如，當轉子極對a-a‘接近定子極對A-A‘時，定子極對A-A’被通電，通過磁拉力產生轉矩，當兩個極對重合時，定子極對A-A'斷。借助于轉子位置編碼器，電機的四對繞組依次、與轉子同步得電，得到單向轉矩。可給出轉矩的幅值

式中m=感應速率，i=瞬時電流。感應速率恒定則電流i為常數。高速運行時，轉子感應的反電動勢也高。這種電機的優點是結構簡單、堅固