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特征和規律，有利于判斷獨立電氣設備好壞（內因）。電氣設備工作原理包含核心部件和組織結構、工作狀態和控制方式、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，核心部件和組織結構就是電氣設備本質特征。為滿足生產制造通用性和使用維護方便性要求，電氣設備組織結構由硬件系統和控制系統組成。對大量不同類型電氣設備統計并歸納總結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構、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。

外殼結構是外部保護和裝飾設備，內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信息，接受人指令或自動控制電氣設備正常運行、改變狀態或處理信息。

通訊模塊與其它電氣設備進行信息交換，實現不同設備之間同步運行、互相控制、數據保存、檢測調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部電源。外部電源部件把市電電網提供的AC220V電能轉換為各部件需要電能。內部電源部件靠自身存儲或產生的電能（如電池或發電機）轉換為各部件需要電能。

控制模型標準分為傳統控制和電氣控制。優秀的控制功能使設備運行穩定和使用方便。傳統控制方式有機械控制、蒸汽控制、液壓控制等，缺點是系統復雜、使用不便，只能滿足基本控制需要。電氣控制系統由信息采樣、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點，是現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，喉嚨發出語音指令，肢體發出機械指令。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，發出機械指令。輸入和輸出信息分為數字信息（如指示燈、蜂鳴器、按鍵、擋位開關等）和模擬信息（如儀表、顯示屏、可調旋鈕、語音等）。

控制結構分為開環控制和閉環控制。開環控制結構形式簡單，設備運行不夠穩定，適用于在運行中負荷變化較小的電氣設備。閉環控制結構形式復雜，分為正反饋和負反饋、單環控制和多環控制，能夠保證設備穩定運行，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點，能實現自檢功能、自動運行、自動通訊、自動報警和自動修復等功能，甚至取消電源開關以尊重設備自我維持的生命權，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，適用于系統規模大、安全等級高的電氣設備。

電氣設備的本質規律

核心部件運動規律就是電氣設備本質規律。通常用功能框圖描述電氣設備工作原理。

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

運行狀態時設備有兩種實時運行模式，一種是狀態機模式，通過切換開關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，如實現設備核心功能的階段，實現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時其內部部件也處于不同狀態中，盡量在設備處于穩態時查找故障原因，能獲得較長檢測時間，有助于撲捉異常現象、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的本質規律，包括內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，啟動和關機時能量消耗中等，運行和設置調整時能量消耗最大。使用維護時通過測量輸入電流是否在正常范圍內判斷設備或部件好壞。

（一）電磁能和其它能量相互轉換設備類

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

電磁能和機械能

電能驅動設備利用電場力和磁場力將電磁能直接轉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、擺動、平移和震動，借助特殊傳動機構實現伸縮、膨脹、變形和壓縮等復合運動，通過組合轉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動靜電電機運動，將電場能轉換為機械能。因為電場力和電位差高低成正比，對絕緣材質要求極高，但是機械運動容易降低絕緣材質的絕緣性，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動器，可以把高頻電場能轉換為超聲波，頻率高、振幅小。電場驅動技術隨著新材料出現不斷發展。

利用磁場同極相斥異極相吸的力學原理驅動電磁電機運動，將磁場能轉換為機械能。由于磁場力大小與線圈匝數、通過電流成正比，可以增加線圈匝數提高磁場力，調節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量成正，如交直流旋轉電機、直線電機、電磁鐵、揚聲器等電氣設備類，廣泛應用于生產和生活中，放大了人的肢體力量。

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

機械發電設備分為機械發電和半導體發電。將旋轉、機械發電由擺動、直線和振動等機械運動使垂直于閉環回路的磁通量發生變化（通常改變面積），能在閉環回路中感應出電流，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，總是阻礙磁通量變化。交流發電機將旋轉機械能直接轉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電機），能輸出大功率電能。通過特殊傳動機構將擺動、直線和振動等機械能直接轉變為電能，只能輸出小功率電能。半導體發電由壓電材料（如壓電陶瓷）當外部壓力發生形變時其表面會產生電勢差，將周期性機械能直接轉換為電信號，機械頻率就是電信號頻率，只能輸出小功率電能。

機械發電設備是以發電部件為核心的電氣設備，主要參數是轉化效率、消耗功率、輸出電壓或電流。因為機械運動狀態能夠被人直接感知，所以機械發電設備正常工作后，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換為生產生活需要的熱能，通過接觸、對流和熱輻射將熱能傳輸到用熱位置，發熱功率與電阻阻值以及通過電流平方成正比，能夠產生大功率熱能。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，主要參數是轉化效率、消耗功率、制熱量。在通電狀態下，其發熱狀態能夠被人直接感知，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變為壓縮機機械能，將低溫低壓氣態制冷劑壓縮成高溫高壓氣態制冷劑，通過冷凝器散熱后的低溫高壓液態制冷劑，進入節流毛細管形成低溫低壓液態制冷劑，再進入蒸發器蒸發吸收熱能形成低溫低壓氣態制冷劑后返回壓縮機實現制冷。此類設備體積大和效率低，適用于需要大規模制冷的場合。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，主要參數是轉化效率、消耗功率、制冷量。在通電狀態下，其制冷狀態能夠被人直接感知，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電和熱電效應發電。熱機發電先用高溫熱源加熱工作流體使其蒸發成氣態后絕熱膨脹，推動活動機械（渦輪機葉片或氣缸活塞）運動帶動發電機發電。此類設備系統復雜、體積大和效率低，但輸出電能功率大。熱電效應發電當兩種溫度不同、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，通過多級串并聯提升輸出電壓和電流。此類設備因為沒有運動機構，所以具有體積小、壽命長、無噪音和效率高等優點，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，主要參數是轉化效率、輸出功率和電壓。在工作狀態下，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光和場致發光。熱致發光當電阻發熱使原子受熱后激發到更高但不穩定的能級，跌回低能級或基態時發射出光子。場致發光在電磁場力將原子激發到更高但不穩定的能級，跌回低能級或基態時發射出光子。電光設備將電磁能轉換為光能，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，主要參數是發光效率、照度、額定功率和電壓。在工作狀態下，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結光伏效應將光能直接轉變為電能。具有足夠能量光子照射PN結，激發PN產生0.6V電勢差。通過提高光線強度和接收面積，對PN結多級串并聯提升輸出電壓和電流，形成光伏發電。此類設備具有壽命長、無噪音等優點，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，主要參數是轉化效率、輸出功率和電壓。在工作狀態下，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換為電能的化學電池，可充電池充電時利用外部電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，放電時把化學能轉換為電能輸出。電池存儲具有容量低、充放電次數少和充電時間長等缺點都是當今世界性技術難題。

電池設備是以電池部件為核心的電氣設備，主要參數是存儲容量、輸出電壓和放電時間。在工作狀態下，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生電化學反應，常用于電解、電鍍、防腐等工業生產中。

電化學設備是以電解槽部件為核心的電氣設備，主要參數是轉化效率、額定功率和輸出電流。在工作狀態下，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信號總稱，包括數據的采集、處理、保存和通訊等。信息通常以能量或物質為載體，盡量消耗最少載體保存最多內容。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、數字、圖形、視頻、聲音等數據內容，還可作為命令、地址和狀態等控制指令，能按人或設備需要動態收集、分析預測、保存和交換信息。電信號分為模擬形式和數字形式。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構，將所有功能部件和外部端口都連接在總線上。既方便大規模生產，也方便擴充升級。通過安裝不同程序和外圍硬件能實現不同功能，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信息、快速撲捉和分析異常狀態、長期記錄故障現象，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支撐。計算機發明極大解放了人腦力勞動。

數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，主要用于數據采集、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。在工作狀態下，利用計算機操作系統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、抗干擾強和能與其它設備同步。主要參數是適用范圍、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、比較和邏輯等運算。要求正確快速的處理數據。通用計算機是最常用信息處理設備，主要參數是處理數據位數、讀寫數據速度和運算速度等。在通電狀態下，利用計算機操作系統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據進行緩沖、存儲和備份等要求能夠大量保存多種類型的數據，還能快速查詢和修改數據。常用存儲部件有機械硬盤、固態硬盤、磁帶、ROM和光盤等。主要參數是處理數據位數、讀寫數據速度和存儲容量等。在通電狀態下，利用計算機操作系統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、網線、同軸電纜、光纖等）組成總線、星型、樹型、令牌環和網狀等拓撲結構交換信息（數據、文字、語音和圖像等），用無線方式（如藍牙、WIFI、WWAN等）組成星型和網狀拓撲結構交換信息。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。主要參數是傳輸容量、通訊速度和傳輸距離等。在通電狀態下，利用計算機操作系統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、性能穩定、維護方便、組網靈活和可擴展性等特點。電磁波傳輸時先用發射設備將需要發送信息調制后通過天線發射出去，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諧出需要接收的信息。常用的電磁波傳輸技術有衛星、短波、GPRS/CDMA、微波和無線網橋等。常用于交通運輸、通訊網絡、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有頻率、發射接收效率、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；電話：13548205451；微信：pzhLQ564200811；QQ：564200811）

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