電氣維修方法論第六篇（電氣設備的工作原理）

電氣維修方法論第六篇（電氣設備的工作原理）

為提高查找故障源的效率，電氣設備需要從工作原理的角度進行分類并掌握其本質(zhì)特征和規(guī)律，有利于判斷獨立電氣設備好壞（內(nèi)因）。電氣設備工作原理包含核心部件和組織結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)和控制方式、輸入輸出物理量及能量變換等因素。

電氣設備的本質(zhì)特征

電氣設備中部件分為核心部件和輔助部件，核心部件和組織結(jié)構(gòu)就是電氣設備本質(zhì)特征。為滿足生產(chǎn)制造通用性和使用維護方便性要求，電氣設備組織結(jié)構(gòu)由硬件系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。對大量不同類型電氣設備統(tǒng)計并歸納總結(jié)出抽象的通用硬件標準模型和通用控制標準模型。

硬件模型標準通常由外殼結(jié)構(gòu)、輸入模塊、處理模塊、輸出模塊、保護模塊、人機交互模塊、通訊模塊和工作電源模塊組成。輸入模塊、處理模塊和輸出模塊組成主回路，實現(xiàn)電路主要功能。保護模塊、人機交互模塊、通訊模塊和工作電源模塊組成輔助回路，配合完善主回路正常工作。各主要模塊之間電氣關(guān)系分為獨立、串行、并行和嵌入等類型，每種模塊由一個或多個部件組成。

外殼結(jié)構(gòu)是外部保護和裝飾設備，內(nèi)部支撐固定各種部件。

輸入模塊把輸入其它形式能源或采集到的信息轉(zhuǎn)換為處理部件需要的電能或電信號。

處理模塊把輸入電能或電信號轉(zhuǎn)換為輸出部件需要的電能或電信號。

輸出模塊把輸出電能或電信號轉(zhuǎn)換為人需要的其它形式能源或信息。

人機交互模塊采集并顯示電氣設備狀態(tài)信息，接受人指令或自動控制電氣設備正常運行、改變狀態(tài)或處理信息。

通訊模塊與其它電氣設備進行信息交換，實現(xiàn)不同設備之間同步運行、互相控制、數(shù)據(jù)保存、檢測調(diào)試和軟件升級等功能。

電源模塊為電氣設備各部件提供必要的電能（通常是各種電壓等級的直流電），按照來源分為外部電源和內(nèi)部電源。外部電源部件把市電電網(wǎng)提供的AC220V電能轉(zhuǎn)換為各部件需要電能。內(nèi)部電源部件靠自身存儲或產(chǎn)生的電能（如電池或發(fā)電機）轉(zhuǎn)換為各部件需要電能。

控制模型標準分為傳統(tǒng)控制和電氣控制。優(yōu)秀的控制功能使設備運行穩(wěn)定和使用方便。傳統(tǒng)控制方式有機械控制、蒸汽控制、液壓控制等，缺點是系統(tǒng)復雜、使用不便，只能滿足基本控制需要。電氣控制系統(tǒng)由信息采樣、信息處理、控制輸出以及人機交互組成，分為硬件控制和軟件控制。硬件控制穩(wěn)定而且響應快，但是功能相對固定。軟件控制響應較慢，具有容易實現(xiàn)各種復雜控制需求、功能擴充方便、人機界面友好和通訊效率高等優(yōu)點，是現(xiàn)代設備主要控制方式。

控制范圍分為集中控制和分布式控制。集中控制由控制中心接收、處理和輸出所有電氣設備信息。分布式控制具有多個控制樞紐，用控制樞紐實現(xiàn)對設備的控制，各個控制樞紐之間采用對應通訊方式保證信息實時連接。

人機交互是指人和電氣設備之間信息交流，信息分為接收信息和發(fā)出指令。人用眼睛感知識別視覺信息，耳朵感知識別聽覺信息，鼻感知識別嗅覺信息，舌感知識別味覺信息，皮膚感知識別溫度、壓力和運動等觸覺信息，喉嚨發(fā)出語音指令，肢體發(fā)出機械指令。按照使用習慣以及安全性和方便性要求，通常人機交互主要接收視覺和聽覺信息，發(fā)出機械指令。輸入和輸出信息分為數(shù)字信息（如指示燈、蜂鳴器、按鍵、擋位開關(guān)等）和模擬信息（如儀表、顯示屏、可調(diào)旋鈕、語音等）。

控制結(jié)構(gòu)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)形式簡單，設備運行不夠穩(wěn)定，適用于在運行中負荷變化較小的電氣設備。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)形式復雜，分為正反饋和負反饋、單環(huán)控制和多環(huán)控制，能夠保證設備穩(wěn)定運行，適用于在運行中負荷變化較大的電氣設備。

控制理念人工控制和自動控制。人工控制由人實時掌控設備運行全過程，但受精力和時間限制，無法實現(xiàn)長周期、快響應和高精度的控制要求。自動控制由設備按預先設定程序自行控制，具有周期長、過程復雜和精度高優(yōu)點，能實現(xiàn)自檢功能、自動運行、自動通訊、自動報警和自動修復等功能，甚至取消電源開關(guān)以尊重設備自我維持的生命權(quán)，人只有必要時才間接參與控制，極大降低工作強度，但也削弱了人對設備掌控能力，符合現(xiàn)代自動控制的理念。

控制類型分為直接控制和間接控制。直接開關(guān)控制由人肢體提供機械能直接控制電氣設備運行，控制功能少、響應慢和安全性低。間接控制通過中間部件間接控制電氣設備運行，能實現(xiàn)本地控制和遠程控制、有線控制和無線控制等控制功能，適用于系統(tǒng)規(guī)模大、安全等級高的電氣設備。

電氣設備的本質(zhì)規(guī)律

核心部件運動規(guī)律就是電氣設備本質(zhì)規(guī)律。通常用功能框圖描述電氣設備工作原理。

工作狀態(tài)通常分為啟動、待機、設置調(diào)整、運行和關(guān)機等狀態(tài)，其中待機、設置調(diào)整和運行是穩(wěn)態(tài)，啟動和關(guān)機是暫態(tài)。各狀態(tài)之間切換方式由硬件切換和軟件切換（程序循環(huán)查詢或事件時間中斷）。沒有記憶功能電氣設備通常由硬件切換工作狀態(tài)：啟動暫態(tài)>待機穩(wěn)態(tài)>設置調(diào)整穩(wěn)態(tài)>運行穩(wěn)態(tài)>關(guān)機暫態(tài)。有記憶功能電氣設備通常由軟件切換工作狀態(tài)：啟動自檢及初始化暫態(tài)>待機穩(wěn)態(tài)>設置調(diào)整穩(wěn)態(tài)>自動運行時循環(huán)查詢或事件時間中斷穩(wěn)態(tài)>通訊或升級暫態(tài)>關(guān)機保存信息暫態(tài)。

運行狀態(tài)時設備有兩種實時運行模式，一種是狀態(tài)機模式，通過切換開關(guān)控制電氣設備工作在不同的階段。另一種是并行運行模式，電氣設備同時工作在多個不同階段中，如實現(xiàn)設備核心功能的階段，實現(xiàn)采樣或保護等輔助功能的階段，人機交互、升級、自檢或通訊等階段。

電氣設備在不同狀態(tài)時其內(nèi)部部件也處于不同狀態(tài)中，盡量在設備處于穩(wěn)態(tài)時查找故障原因，能獲得較長檢測時間，有助于撲捉異?，F(xiàn)象、選擇切入點、縮小故障排查范圍和判斷對象好壞。

能量變換是電氣設備在能量上表現(xiàn)的本質(zhì)規(guī)律，包括內(nèi)部電磁能消耗和外部其它能量的相互變換。通常用各種物理運動規(guī)律（如電磁運動、機械運動、熱運動、光運動和化學運動等）描述電氣設備能量的變化。因為電磁能和其它能量相互轉(zhuǎn)換簡單直接，所以電氣設備能量利用效率較高，其能量消耗與各部件工作電流之和成正比。通常電氣設備待機時能量消耗最低，啟動和關(guān)機時能量消耗中等，運行和設置調(diào)整時能量消耗最大。使用維護時通過測量輸入電流是否在正常范圍內(nèi)判斷設備或部件好壞。

（一）電磁能和其它能量相互轉(zhuǎn)換設備類

換能設備處于能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)時，通過測量其工作電壓和工作電流是否在正常值范圍內(nèi)可以初步判斷換能設備是否正常工作。

電磁能和機械能

電能驅(qū)動設備利用電場力和磁場力將電磁能直接轉(zhuǎn)換為各種運動形式的機械能。常見機械能有動能和勢能，機械運動基本形式有旋轉(zhuǎn)、擺動、平移和震動，借助特殊傳動機構(gòu)實現(xiàn)伸縮、膨脹、變形和壓縮等復合運動，通過組合轉(zhuǎn)換為其它機械運動形式。聲波和超聲波也屬于機械運動。

利用電場同性相斥異性相吸的力學原理驅(qū)動靜電電機運動，將電場能轉(zhuǎn)換為機械能。因為電場力和電位差高低成正比，對絕緣材質(zhì)要求極高，但是機械運動容易降低絕緣材質(zhì)的絕緣性，造成較大的安全隱患，所以靜電電機輸出功率較小，通常用于微型機械，如靜電電動機、場致發(fā)音器、壓電陶瓷蜂鳴器和噴墨噴頭等。利用壓電材料的壓電效應制作壓電驅(qū)動器，可以把高頻電場能轉(zhuǎn)換為超聲波，頻率高、振幅小。電場驅(qū)動技術(shù)隨著新材料出現(xiàn)不斷發(fā)展。

利用磁場同極相斥異極相吸的力學原理驅(qū)動電磁電機運動，將磁場能轉(zhuǎn)換為機械能。由于磁場力大小與線圈匝數(shù)、通過電流成正比，可以增加線圈匝數(shù)提高磁場力，調(diào)節(jié)通過電流控制磁場力的大小，輸出功率大于其它類型電機。電磁電機的本質(zhì)特征是包含線圈和運動零件的機械部件，其輸出功率和電機質(zhì)量成正，如交直流旋轉(zhuǎn)電機、直線電機、電磁鐵、揚聲器等電氣設備類，廣泛應用于生產(chǎn)和生活中，放大了人的肢體力量。

電能驅(qū)動設備是以電機部件為核心的成熟電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、消耗功率、輸出轉(zhuǎn)速或力矩。在通電狀態(tài)下，其運動狀態(tài)能夠被人直接感知，通過比較判斷其好壞。

機械發(fā)電設備分為機械發(fā)電和半導體發(fā)電。將旋轉(zhuǎn)、機械發(fā)電由擺動、直線和振動等機械運動使垂直于閉環(huán)回路的磁通量發(fā)生變化（通常改變面積），能在閉環(huán)回路中感應出電流，其大小與磁通量變化率成正比，方向由磁場方向和磁通量增減趨勢有關(guān)，總是阻礙磁通量變化。交流發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能直接轉(zhuǎn)換為方向和大小都作周期性變化交流電能（如果加裝換向器就成為直流發(fā)電機），能輸出大功率電能。通過特殊傳動機構(gòu)將擺動、直線和振動等機械能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽荒茌敵鲂」β孰娔?。半導體發(fā)電由壓電材料（如壓電陶瓷）當外部壓力發(fā)生形變時其表面會產(chǎn)生電勢差，將周期性機械能直接轉(zhuǎn)換為電信號，機械頻率就是電信號頻率，只能輸出小功率電能。

機械發(fā)電設備是以發(fā)電部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、消耗功率、輸出電壓或電流。因為機械運動狀態(tài)能夠被人直接感知，所以機械發(fā)電設備正常工作后，用示波器以及萬用表電壓檔測量其輸出端電壓的波形和幅值，通過比較判斷其好壞。

電磁能和熱能

電制熱設備將通過電阻的電能直接轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)生活需要的熱能，通過接觸、對流和熱輻射將熱能傳輸?shù)接脽嵛恢?，發(fā)熱功率與電阻阻值以及通過電流平方成正比，能夠產(chǎn)生大功率熱能。常用制熱方式有電熱絲、電弧、高頻渦流，常用電制熱設備有電熨斗、電焊機和電磁爐等。

電制熱設備是以電熱部件為核心的成熟電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、消耗功率、制熱量。在通電狀態(tài)下，其發(fā)熱狀態(tài)能夠被人直接感知，通常用溫度計或紅外測試儀測量電制熱設備溫度，通過比較判斷其好壞。

電制冷設備分為制冷媒介蒸發(fā)制冷和半導體材料帕爾貼Peltier效應制冷。制冷媒介制冷設備先將電能轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s機機械能，將低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，通過冷凝器散熱后的低溫高壓液態(tài)制冷劑，進入節(jié)流毛細管形成低溫低壓液態(tài)制冷劑，再進入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱能形成低溫低壓氣態(tài)制冷劑后返回壓縮機實現(xiàn)制冷。此類設備體積大和效率低，適用于需要大規(guī)模制冷的場合。半導體材料制冷設備當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)組成的電偶時，在電偶兩端分別吸收和放出熱量，吸熱端實現(xiàn)制冷。此類設備制冷量和體積較小，可靠性高。

電制冷設備是以電制冷部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、消耗功率、制冷量。在通電狀態(tài)下，其制冷狀態(tài)能夠被人直接感知，通常用溫度計或紅外測試儀測量電制冷設備溫度，通過比較判斷其好壞。

熱電設備分為利用熱機發(fā)電和熱電效應發(fā)電。熱機發(fā)電先用高溫熱源加熱工作流體使其蒸發(fā)成氣態(tài)后絕熱膨脹，推動活動機械（渦輪機葉片或氣缸活塞）運動帶動發(fā)電機發(fā)電。此類設備系統(tǒng)復雜、體積大和效率低，但輸出電能功率大。熱電效應發(fā)電當兩種溫度不同、電子密度不同的導體互相接觸，電子由密度高向密度低方向擴散形成電勢差，通過多級串并聯(lián)提升輸出電壓和電流。此類設備因為沒有運動機構(gòu)，所以具有體積小、壽命長、無噪音和效率高等優(yōu)點，但輸出電能功率小。

熱電設備是以熱電部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、輸出功率和電壓。在工作狀態(tài)下，通常用萬用表電壓檔測量熱電設備輸出電壓，通過對比判斷其好壞。

電磁能和光能

電光設備分為熱致發(fā)光和場致發(fā)光。熱致發(fā)光當電阻發(fā)熱使原子受熱后激發(fā)到更高但不穩(wěn)定的能級，跌回低能級或基態(tài)時發(fā)射出光子。場致發(fā)光在電磁場力將原子激發(fā)到更高但不穩(wěn)定的能級，跌回低能級或基態(tài)時發(fā)射出光子。電光設備將電磁能轉(zhuǎn)換為光能，為黑暗帶來光明。

電光設備是以電光部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是發(fā)光效率、照度、額定功率和電壓。在工作狀態(tài)下，其光線能夠被人直接感知，通常用照度儀測量電光設備輸出亮度，通過對比判斷其好壞。

光電設備利用半導體PN結(jié)光伏效應將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＞哂凶銐蚰芰抗庾诱丈銹N結(jié)，激發(fā)PN產(chǎn)生0.6V電勢差。通過提高光線強度和接收面積，對PN結(jié)多級串并聯(lián)提升輸出電壓和電流，形成光伏發(fā)電。此類設備具有壽命長、無噪音等優(yōu)點，但占地面積大、效率低和輸出電能功率小。

光電設備是以光電部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、輸出功率和電壓。在工作狀態(tài)下，通常用萬用表電壓檔測量光電設備輸出電壓，通過對比判斷其好壞。

電磁能和化學能

電池設備是能夠存儲并輸出電能的裝置。常用成熟電池是將化學能轉(zhuǎn)換為電能的化學電池，可充電池充電時利用外部電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學能，放電時把化學能轉(zhuǎn)換為電能輸出。電池存儲具有容量低、充放電次數(shù)少和充電時間長等缺點都是當今世界性技術(shù)難題。

電池設備是以電池部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是存儲容量、輸出電壓和放電時間。在工作狀態(tài)下，通常用萬用表電壓和電流檔測量電池設備輸出電壓和電流，通過對比判斷其好壞。

電化學設備將電能轉(zhuǎn)換為化學能。電化學設備兩個獨立電極接通外部電源后，離子從一個電極通過電解質(zhì)流到另一個電極的過程中，在電場力作用下離子做功或吸能后產(chǎn)生電化學反應，常用于電解、電鍍、防腐等工業(yè)生產(chǎn)中。

電化學設備是以電解槽部件為核心的電氣設備，主要參數(shù)是轉(zhuǎn)化效率、額定功率和輸出電流。在工作狀態(tài)下，通常用萬用表電流檔測量電化學設備電極輸出流，通過對比判斷其好壞。

（二）信息設備類

信息是人感知或干涉外部世界過程中非物質(zhì)信號總稱，包括數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和通訊等。信息通常以能量或物質(zhì)為載體，盡量消耗最少載體保存最多內(nèi)容。電信號是信息最佳載體，具有采集方便、處理傳輸速度快、保存容易、能耗低無損耗等特點。電信號既能描述字符、文字、數(shù)字、圖形、視頻、聲音等數(shù)據(jù)內(nèi)容，還可作為命令、地址和狀態(tài)等控制指令，能按人或設備需要動態(tài)收集、分析預測、保存和交換信息。電信號分為模擬形式和數(shù)字形式。信息設備是以電信號為工作對象的設備。模擬控制器（如音頻、視頻和燈光控制器）以運算放大部件為核心，采集、處理和保存模擬信息。數(shù)字計算機以CPU、存儲器和輸入輸出部件為核心，采集、處理和保存數(shù)字信息。

計算機采用總線化、標準化、開放性和可移植性的體系結(jié)構(gòu)，將所有功能部件和外部端口都連接在總線上。既方便大規(guī)模生產(chǎn)，也方便擴充升級。通過安裝不同程序和外圍硬件能實現(xiàn)不同功能，將信息采集、處理、保存和通訊合為一體。計算機既是成套設備系統(tǒng)的重要組成部分，也是電氣維護的重要工具。利用計算機查詢和交流技術(shù)信息、快速撲捉和分析異常狀態(tài)、長期記錄故障現(xiàn)象，有效彌補人精力和時間限制，為高效查找故障原因提供可靠的技術(shù)支撐。計算機發(fā)明極大解放了人腦力勞動。

數(shù)字計算機分為通用計算機（臺式和筆記本）和控制計算機（工控機、單片機等）。通用計算機功能強大，主要用于數(shù)據(jù)采集、處理、保存。專用計算機功能專一，主要用于設備過程控制。計算機屬于標準化設備，如果硬件異常可以采用替換部件、電路板或電氣元件的方式，通過對比判斷硬件是否正常工作。在工作狀態(tài)下，利用計算機操作系統(tǒng)或自檢程序判斷其好壞。

信息采集

智能信息采集設備是以傳感器和嵌入式單片機為核心的電氣設備，用傳感器感知物理信息，嵌入式單片機對輸入信息進行過濾、識別、校正和匹配后輸出其它設備需要的信息。要求實時觸發(fā)、抗干擾強和能與其它設備同步。主要參數(shù)是適用范圍、靈敏度、綜合誤差和輸入輸出阻抗等。在通電狀態(tài)下，通常用示波器測量輸出信號，通過比較判斷其好壞。

信息處理

智能信息處理設備是以計算機為核心的電氣設備，按人需要對信息進行分類、檢索、計算、比較、變換和管理，計算包括算術(shù)、比較和邏輯等運算。要求正確快速的處理數(shù)據(jù)。通用計算機是最常用信息處理設備，主要參數(shù)是處理數(shù)據(jù)位數(shù)、讀寫數(shù)據(jù)速度和運算速度等。在通電狀態(tài)下，利用計算機操作系統(tǒng)或自檢程序判斷其好壞。

信息保存

智能信息存儲設備是以存儲器和嵌入式單片機為核心的電氣設備，信息保存就是把采集或處理的數(shù)據(jù)進行緩沖、存儲和備份等要求能夠大量保存多種類型的數(shù)據(jù)，還能快速查詢和修改數(shù)據(jù)。常用存儲部件有機械硬盤、固態(tài)硬盤、磁帶、ROM和光盤等。主要參數(shù)是處理數(shù)據(jù)位數(shù)、讀寫數(shù)據(jù)速度和存儲容量等。在通電狀態(tài)下，利用計算機操作系統(tǒng)或自檢程序判斷其好壞。

信息通訊

智能信息通訊設備是以傳輸媒介和交換機（其中包含嵌入式單片機）為核心的電氣設備，用有線媒介（如電話線、雙絞線、網(wǎng)線、同軸電纜、光纖等）組成總線、星型、樹型、令牌環(huán)和網(wǎng)狀等拓撲結(jié)構(gòu)交換信息（數(shù)據(jù)、文字、語音和圖像等），用無線方式（如藍牙、WIFI、WWAN等）組成星型和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)交換信息。智能通訊設備要求盡量用最少物理資源最快、最遠、最廣的傳輸、分配和交換多種類型信息。主要參數(shù)是傳輸容量、通訊速度和傳輸距離等。在通電狀態(tài)下，利用計算機操作系統(tǒng)或自檢程序判斷其好壞。

（三）電磁波設備類

電磁波設備是以發(fā)射接收部件和天線為核心的電氣設備。電磁波設備既能無線傳輸電信號，還能無線充電。無線通訊擺脫線纜約束，具有傳輸距離遠、安裝周期短、性能穩(wěn)定、維護方便、組網(wǎng)靈活和可擴展性等特點。電磁波傳輸時先用發(fā)射設備將需要發(fā)送信息調(diào)制后通過天線發(fā)射出去，中繼設備擴展傳輸范圍，接收設備通過天線接收電磁波后再調(diào)諧出需要接收的信息。常用的電磁波傳輸技術(shù)有衛(wèi)星、短波、GPRS/CDMA、微波和無線網(wǎng)橋等。常用于交通運輸、通訊網(wǎng)絡、遠程檢測、城市管理等領域。無線充電分為小功率電磁感應式和大功率磁場共振式，主流標準有Qi、PMA、A4WP，常用于對手機或電動車非接觸充電。電磁波設備主要參數(shù)有頻率、發(fā)射接收效率、能量傳輸效率等。通常用頻率計和高頻示波器測量其輸入輸出電壓和電流，通過對比判斷其好壞。

（作者：羅清；地址：四川省攀枝花市東區(qū)；電話：13548205451；微信：pzhLQ564200811；QQ：564200811）

審核編輯：夢凡