电气维修方法论第六篇（电气设备的工作原理）

　　电气维修方法论第六篇（电气设备的工作原理）

　　为提高查找故障源的效率，电气设备需要从工作原理的角度进行分类并掌握其本质特征和规律，有利于判断独立电气设备好坏（内因）。电气设备工作原理包含核心部件和组织结构、工作状态和控制方式、输入输出物理量及能量变换等因素。

　　电气设备的本质特征

　　电气设备中部件分为核心部件和辅助部件，核心部件和组织结构就是电气设备本质特征。为满足生产制造通用性和使用维护方便性要求，电气设备组织结构由硬件系统和控制系统组成。对大量不同类型电气设备统计并归纳总结出抽象的通用硬件标准模型和通用控制标准模型。

　　硬件模型标准通常由外壳结构、输入模块、处理模块、输出模块、保护模块、人机交互模块、通讯模块和工作电源模块组成。输入模块、处理模块和输出模块组成主回路，实现电路主要功能。保护模块、人机交互模块、通讯模块和工作电源模块组成辅助回路，配合完善主回路正常工作。各主要模块之间电气关系分为独立、串行、并行和嵌入等类型，每种模块由一个或多个部件组成。

　　外壳结构是外部保护和装饰设备，内部支撑固定各种部件。

　　输入模块把输入其它形式能源或采集到的信息转换为处理部件需要的电能或电信号。

　　处理模块把输入电能或电信号转换为输出部件需要的电能或电信号。

　　输出模块把输出电能或电信号转换为人需要的其它形式能源或信息。

　　人机交互模块采集并显示电气设备状态信息，接受人指令或自动控制电气设备正常运行、改变状态或处理信息。

　　通讯模块与其它电气设备进行信息交换，实现不同设备之间同步运行、互相控制、数据保存、检测调试和软件升级等功能。

　　电源模块为电气设备各部件提供必要的电能（通常是各种电压等级的直流电），按照来源分为外部电源和内部电源。外部电源部件把市电电网提供的AC220V电能转换为各部件需要电能。内部电源部件靠自身存储或产生的电能（如电池或发电机）转换为各部件需要电能。

　　控制模型标准分为传统控制和电气控制。优秀的控制功能使设备运行稳定和使用方便。传统控制方式有机械控制、蒸汽控制、液压控制等，缺点是系统复杂、使用不便，只能满足基本控制需要。电气控制系统由信息采样、信息处理、控制输出以及人机交互组成，分为硬件控制和软件控制。硬件控制稳定而且响应快，但是功能相对固定。软件控制响应较慢，具有容易实现各种复杂控制需求、功能扩充方便、人机界面友好和通讯效率高等优点，是现代设备主要控制方式。

　　控制范围分为集中控制和分布式控制。集中控制由控制中心接收、处理和输出所有电气设备信息。分布式控制具有多个控制枢纽，用控制枢纽实现对设备的控制，各个控制枢纽之间采用对应通讯方式保证信息实时连接。

　　人机交互是指人和电气设备之间信息交流，信息分为接收信息和发出指令。人用眼睛感知识别视觉信息，耳朵感知识别听觉信息，鼻感知识别嗅觉信息，舌感知识别味觉信息，皮肤感知识别温度、压力和运动等触觉信息，喉咙发出语音指令，肢体发出机械指令。按照使用习惯以及安全性和方便性要求，通常人机交互主要接收视觉和听觉信息，发出机械指令。输入和输出信息分为数字信息（如指示灯、蜂鸣器、按键、挡位开关等）和模拟信息（如仪表、显示屏、可调旋钮、语音等）。

　　控制结构分为开环控制和闭环控制。开环控制结构形式简单，设备运行不够稳定，适用于在运行中负荷变化较小的电气设备。闭环控制结构形式复杂，分为正反馈和负反馈、单环控制和多环控制，能够保证设备稳定运行，适用于在运行中负荷变化较大的电气设备。

　　控制理念人工控制和自动控制。人工控制由人实时掌控设备运行全过程，但受精力和时间限制，无法实现长周期、快响应和高精度的控制要求。自动控制由设备按预先设定程序自行控制，具有周期长、过程复杂和精度高优点，能实现自检功能、自动运行、自动通讯、自动报警和自动修复等功能，甚至取消电源开关以尊重设备自我维持的生命权，人只有必要时才间接参与控制，极大降低工作强度，但也削弱了人对设备掌控能力，符合现代自动控制的理念。

　　控制类型分为直接控制和间接控制。直接开关控制由人肢体提供机械能直接控制电气设备运行，控制功能少、响应慢和安全性低。间接控制通过中间部件间接控制电气设备运行，能实现本地控制和远程控制、有线控制和无线控制等控制功能，适用于系统规模大、安全等级高的电气设备。

　　电气设备的本质规律

　　核心部件运动规律就是电气设备本质规律。通常用功能框图描述电气设备工作原理。

　　工作状态通常分为启动、待机、设置调整、运行和关机等状态，其中待机、设置调整和运行是稳态，启动和关机是暂态。各状态之间切换方式由硬件切换和软件切换（程序循环查询或事件时间中断）。没有记忆功能电气设备通常由硬件切换工作状态：启动暂态>待机稳态>设置调整稳态>运行稳态>关机暂态。有记忆功能电气设备通常由软件切换工作状态：启动自检及初始化暂态>待机稳态>设置调整稳态>自动运行时循环查询或事件时间中断稳态>通讯或升级暂态>关机保存信息暂态。

　　运行状态时设备有两种实时运行模式，一种是状态机模式，通过切换开关控制电气设备工作在不同的阶段。另一种是并行运行模式，电气设备同时工作在多个不同阶段中，如实现设备核心功能的阶段，实现采样或保护等辅助功能的阶段，人机交互、升级、自检或通讯等阶段。

　　电气设备在不同状态时其内部部件也处于不同状态中，尽量在设备处于稳态时查找故障原因，能获得较长检测时间，有助于扑捉异常现象、选择切入点、缩小故障排查范围和判断对象好坏。

　　能量变换是电气设备在能量上表现的本质规律，包括内部电磁能消耗和外部其它能量的相互变换。通常用各种物理运动规律（如电磁运动、机械运动、热运动、光运动和化学运动等）描述电气设备能量的变化。因为电磁能和其它能量相互转换简单直接，所以电气设备能量利用效率较高，其能量消耗与各部件工作电流之和成正比。通常电气设备待机时能量消耗最低，启动和关机时能量消耗中等，运行和设置调整时能量消耗最大。使用维护时通过测量输入电流是否在正常范围内判断设备或部件好坏。

　　（一）电磁能和其它能量相互转换设备类

　　换能设备处于能量转化状态时，通过测量其工作电压和工作电流是否在正常值范围内可以初步判断换能设备是否正常工作。

　　电磁能和机械能

　　电能驱动设备利用电场力和磁场力将电磁能直接转换为各种运动形式的机械能。常见机械能有动能和势能，机械运动基本形式有旋转、摆动、平移和震动，借助特殊传动机构实现伸缩、膨胀、变形和压缩等复合运动，通过组合转换为其它机械运动形式。声波和超声波也属于机械运动。

　　利用电场同性相斥异性相吸的力学原理驱动静电电机运动，将电场能转换为机械能。因为电场力和电位差高低成正比，对绝缘材质要求极高，但是机械运动容易降低绝缘材质的绝缘性，造成较大的安全隐患，所以静电电机输出功率较小，通常用于微型机械，如静电电动机、场致发音器、压电陶瓷蜂鸣器和喷墨喷头等。利用压电材料的压电效应制作压电驱动器，可以把高频电场能转换为超声波，频率高、振幅小。电场驱动技术随着新材料出现不断发展。

　　利用磁场同极相斥异极相吸的力学原理驱动电磁电机运动，将磁场能转换为机械能。由于磁场力大小与线圈匝数、通过电流成正比，可以增加线圈匝数提高磁场力，调节通过电流控制磁场力的大小，输出功率大于其它类型电机。电磁电机的本质特征是包含线圈和运动零件的机械部件，其输出功率和电机质量成正，如交直流旋转电机、直线电机、电磁铁、扬声器等电气设备类，广泛应用于生产和生活中，放大了人的肢体力量。

　　电能驱动设备是以电机部件为核心的成熟电气设备，主要参数是转化效率、消耗功率、输出转速或力矩。在通电状态下，其运动状态能够被人直接感知，通过比较判断其好坏。

　　机械发电设备分为机械发电和半导体发电。将旋转、机械发电由摆动、直线和振动等机械运动使垂直于闭环回路的磁通量发生变化（通常改变面积），能在闭环回路中感应出电流，其大小与磁通量变化率成正比，方向由磁场方向和磁通量增减趋势有关，总是阻碍磁通量变化。交流发电机将旋转机械能直接转换为方向和大小都作周期性变化交流电能（如果加装换向器就成为直流发电机），能输出大功率电能。通过特殊传动机构将摆动、直线和振动等机械能直接转变为电能，只能输出小功率电能。半导体发电由压电材料（如压电陶瓷）当外部压力发生形变时其表面会产生电势差，将周期性机械能直接转换为电信号，机械频率就是电信号频率，只能输出小功率电能。

　　机械发电设备是以发电部件为核心的电气设备，主要参数是转化效率、消耗功率、输出电压或电流。因为机械运动状态能够被人直接感知，所以机械发电设备正常工作后，用示波器以及万用表电压档测量其输出端电压的波形和幅值，通过比较判断其好坏。

　　电磁能和热能

　　电制热设备将通过电阻的电能直接转换为生产生活需要的热能，通过接触、对流和热辐射将热能传输到用热位置，发热功率与电阻阻值以及通过电流平方成正比，能够产生大功率热能。常用制热方式有电热丝、电弧、高频涡流，常用电制热设备有电熨斗、电焊机和电磁炉等。

　　电制热设备是以电热部件为核心的成熟电气设备，主要参数是转化效率、消耗功率、制热量。在通电状态下，其发热状态能够被人直接感知，通常用温度计或红外测试仪测量电制热设备温度，通过比较判断其好坏。

　　电制冷设备分为制冷媒介蒸发制冷和半导体材料帕尔贴Peltier效应制冷。制冷媒介制冷设备先将电能转变为压缩机机械能，将低温低压气态制冷剂压缩成高温高压气态制冷剂，通过冷凝器散热后的低温高压液态制冷剂，进入节流毛细管形成低温低压液态制冷剂，再进入蒸发器蒸发吸收热能形成低温低压气态制冷剂后返回压缩机实现制冷。此类设备体积大和效率低，适用于需要大规模制冷的场合。半导体材料制冷设备当直流电通过两种不同半导体材料串联组成的电偶时，在电偶两端分别吸收和放出热量，吸热端实现制冷。此类设备制冷量和体积较小，可靠性高。

　　电制冷设备是以电制冷部件为核心的电气设备，主要参数是转化效率、消耗功率、制冷量。在通电状态下，其制冷状态能够被人直接感知，通常用温度计或红外测试仪测量电制冷设备温度，通过比较判断其好坏。

　　热电设备分为利用热机发电和热电效应发电。热机发电先用高温热源加热工作流体使其蒸发成气态后绝热膨胀，推动活动机械（涡轮机叶片或气缸活塞）运动带动发电机发电。此类设备系统复杂、体积大和效率低，但输出电能功率大。热电效应发电当两种温度不同、电子密度不同的导体互相接触，电子由密度高向密度低方向扩散形成电势差，通过多级串并联提升输出电压和电流。此类设备因为没有运动机构，所以具有体积小、寿命长、无噪音和效率高等优点，但输出电能功率小。

　　热电设备是以热电部件为核心的电气设备，主要参数是转化效率、输出功率和电压。在工作状态下，通常用万用表电压档测量热电设备输出电压，通过对比判断其好坏。

　　电磁能和光能

　　电光设备分为热致发光和场致发光。热致发光当电阻发热使原子受热后激发到更高但不稳定的能级，跌回低能级或基态时发射出光子。场致发光在电磁场力将原子激发到更高但不稳定的能级，跌回低能级或基态时发射出光子。电光设备将电磁能转换为光能，为黑暗带来光明。

　　电光设备是以电光部件为核心的电气设备，主要参数是发光效率、照度、额定功率和电压。在工作状态下，其光线能够被人直接感知，通常用照度仪测量电光设备输出亮度，通过对比判断其好坏。

　　光电设备利用半导体PN结光伏效应将光能直接转变为电能。具有足够能量光子照射PN结，激发PN产生0.6V电势差。通过提高光线强度和接收面积，对PN结多级串并联提升输出电压和电流，形成光伏发电。此类设备具有寿命长、无噪音等优点，但占地面积大、效率低和输出电能功率小。

　　光电设备是以光电部件为核心的电气设备，主要参数是转化效率、输出功率和电压。在工作状态下，通常用万用表电压档测量光电设备输出电压，通过对比判断其好坏。

　　电磁能和化学能

　　电池设备是能够存储并输出电能的装置。常用成熟电池是将化学能转换为电能的化学电池，可充电池充电时利用外部电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，放电时把化学能转换为电能输出。电池存储具有容量低、充放电次数少和充电时间长等缺点都是当今世界性技术难题。

　　电池设备是以电池部件为核心的电气设备，主要参数是存储容量、输出电压和放电时间。在工作状态下，通常用万用表电压和电流档测量电池设备输出电压和电流，通过对比判断其好坏。

　　电化学设备将电能转换为化学能。电化学设备两个独立电极接通外部电源后，离子从一个电极通过电解质流到另一个电极的过程中，在电场力作用下离子做功或吸能后产生电化学反应，常用于电解、电镀、防腐等工业生产中。

　　电化学设备是以电解槽部件为核心的电气设备，主要参数是转化效率、额定功率和输出电流。在工作状态下，通常用万用表电流档测量电化学设备电极输出流，通过对比判断其好坏。

　　（二）信息设备类

　　信息是人感知或干涉外部世界过程中非物质信号总称，包括数据的采集、处理、保存和通讯等。信息通常以能量或物质为载体，尽量消耗最少载体保存最多内容。电信号是信息最佳载体，具有采集方便、处理传输速度快、保存容易、能耗低无损耗等特点。电信号既能描述字符、文字、数字、图形、视频、声音等数据内容，还可作为命令、地址和状态等控制指令，能按人或设备需要动态收集、分析预测、保存和交换信息。电信号分为模拟形式和数字形式。信息设备是以电信号为工作对象的设备。模拟控制器（如音频、视频和灯光控制器）以运算放大部件为核心，采集、处理和保存模拟信息。数字计算机以CPU、存储器和输入输出部件为核心，采集、处理和保存数字信息。

　　计算机采用总线化、标准化、开放性和可移植性的体系结构，将所有功能部件和外部端口都连接在总线上。既方便大规模生产，也方便扩充升级。通过安装不同程序和外围硬件能实现不同功能，将信息采集、处理、保存和通讯合为一体。计算机既是成套设备系统的重要组成部分，也是电气维护的重要工具。利用计算机查询和交流技术信息、快速扑捉和分析异常状态、长期记录故障现象，有效弥补人精力和时间限制，为高效查找故障原因提供可靠的技术支撑。计算机发明极大解放了人脑力劳动。

　　数字计算机分为通用计算机（台式和笔记本）和控制计算机（工控机、单片机等）。通用计算机功能强大，主要用于数据采集、处理、保存。专用计算机功能专一，主要用于设备过程控制。计算机属于标准化设备，如果硬件异常可以采用替换部件、电路板或电气元件的方式，通过对比判断硬件是否正常工作。在工作状态下，利用计算机操作系统或自检程序判断其好坏。

　　信息采集

　　智能信息采集设备是以传感器和嵌入式单片机为核心的电气设备，用传感器感知物理信息，嵌入式单片机对输入信息进行过滤、识别、校正和匹配后输出其它设备需要的信息。要求实时触发、抗干扰强和能与其它设备同步。主要参数是适用范围、灵敏度、综合误差和输入输出阻抗等。在通电状态下，通常用示波器测量输出信号，通过比较判断其好坏。

　　信息处理

　　智能信息处理设备是以计算机为核心的电气设备，按人需要对信息进行分类、检索、计算、比较、变换和管理，计算包括算术、比较和逻辑等运算。要求正确快速的处理数据。通用计算机是最常用信息处理设备，主要参数是处理数据位数、读写数据速度和运算速度等。在通电状态下，利用计算机操作系统或自检程序判断其好坏。

　　信息保存

　　智能信息存储设备是以存储器和嵌入式单片机为核心的电气设备，信息保存就是把采集或处理的数据进行缓冲、存储和备份等要求能够大量保存多种类型的数据，还能快速查询和修改数据。常用存储部件有机械硬盘、固态硬盘、磁带、ROM和光盘等。主要参数是处理数据位数、读写数据速度和存储容量等。在通电状态下，利用计算机操作系统或自检程序判断其好坏。

　　信息通讯

　　智能信息通讯设备是以传输媒介和交换机（其中包含嵌入式单片机）为核心的电气设备，用有线媒介（如电话线、双绞线、网线、同轴电缆、光纤等）组成总线、星型、树型、令牌环和网状等拓扑结构交换信息（数据、文字、语音和图像等），用无线方式（如蓝牙、WIFI、WWAN等）组成星型和网状拓扑结构交换信息。智能通讯设备要求尽量用最少物理资源最快、最远、最广的传输、分配和交换多种类型信息。主要参数是传输容量、通讯速度和传输距离等。在通电状态下，利用计算机操作系统或自检程序判断其好坏。

　　（三）电磁波设备类

　　电磁波设备是以发射接收部件和天线为核心的电气设备。电磁波设备既能无线传输电信号，还能无线充电。无线通讯摆脱线缆约束，具有传输距离远、安装周期短、性能稳定、维护方便、组网灵活和可扩展性等特点。电磁波传输时先用发射设备将需要发送信息调制后通过天线发射出去，中继设备扩展传输范围，接收设备通过天线接收电磁波后再调谐出需要接收的信息。常用的电磁波传输技术有卫星、短波、GPRS/CDMA、微波和无线网桥等。常用于交通运输、通讯网络、远程检测、城市管理等领域。无线充电分为小功率电磁感应式和大功率磁场共振式，主流标准有Qi、PMA、A4WP，常用于对手机或电动车非接触充电。电磁波设备主要参数有频率、发射接收效率、能量传输效率等。通常用频率计和高频示波器测量其输入输出电压和电流，通过对比判断其好坏。

　　（作者：罗清；地址：四川省攀枝花市东区；电话：[phone]；微信：pzhLQ564200811；QQ：564200811）

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