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电气自动化专业知识
电气自动化专业知识
第一部分电工学基础知识
电路基础
1、电路：
电流流过的全部通路称为电路。
它是由一些电的设备或器件组成的总体。
2、电源：
电路中提供电能或电讯号的器件。
3、负载：
在电路中吸收电能或输出讯号的器件称为负载。
4、激励：
电源的电流或电压称为激励函数或激励。
5、响应：
负载上的电流或电压称为响应。
6、电路元件：
电路器件的理想化模型称为电路元件。
7、电容元件：
具有储存或释放电场能量的性质，即电场效应。
8、电感元件：
具有储存或释放磁场能量的性质，即磁场效应。
9、电压：
电路中两点电位之差称为电位差，或电压。
10、基尔霍夫定律包括电流定律（KCL）和电压定律（KVL）。
11、基尔霍夫（第一定律）电流定律（KCL）：
对于任一电路中的任一节点，在任一瞬时，流出该节点的所有支路电流的代数和为零。
12、基尔霍夫（第二定律）电压定律（KVL）：
对于任一电路中的任一闭合回路，在任一瞬时，流出该闭合回路的所有支路电压的代数和为零。
13、交流电路：
电流、电压的大小或方向随时间变化的电路称为交流电路。
14、正弦交流电路：
电流或电压按照正弦规律变化的电路称为正弦交流电路。
15、最大值（振幅）：
正弦电流或电压瞬时值的大小和方向随时间而变化，幅值变化的最大范围称为最大值或振幅。
16、周期：
正弦函数是一个周期函数，重复变化一次需要的时间称为周期。
周期用T表示，单位为秒（s）。
17、频率：
周期的倒数称为频率。
频率用f表示，单位为赫芝，简称赫（Hz）。
18、角频率：
正弦电流变化一个周期，幅角变化为2弧度，单位时间幅角变化的弧度数2/T,叫做角频率。
用表示，单位为弧度/秒。
=2f=2/T。
19、相位：
正弦电流的幅角（t+i），叫做正弦量的相位。
相位是时间的函数，表示正弦量变化的进程。
t=0时的相位i叫做正弦量的初相。
20、正弦量的三要素：
正弦量的振幅，角频率（或频率）和初相，是决定正弦量的三个基本参数，也是进行比较和区分各个正弦量的依据，称为正弦量的三要素。
21、两正弦量相位之差称为相位差。
同频率正弦量的相位差等于初相之差，它与及t无关。
即相位差是一个常数。
22、正弦电流、电压或电动势，它们的瞬时值是随时间变化的，只在某些特定时刻才等于最大值。
为了衡量正弦量做功的能力，通常不是用最大值或是瞬时值，而是有效值。
以正弦电流的有效值为例：
I1i2dt，正弦电流的有效值I的运算值，先将电流瞬时值i平方，再在一个周期内取平均值，最后取其平方根，因此有效值又有方均根值之称。
由此可知，有效值的意义为，周期性电流与在数值上等于有效值的直流电流的做功能力是相同的。
结论如下：
正弦电流有效值I=2Im，Im为电流振幅正弦电压有效值U=2Um，Um为电压振幅正弦电动势有效值E=2Em，Em为电动势振幅
23、三相电动势：
三相正弦电动势，其频率相同，幅值相等，而初相位依次相差120度，称为对称三相电动势。
24、相序：
三相电动势达到最大值或零值的次序，或者说从超前相到滞后相的次序称为相序。
25、三相电路的联接方式：
通常在三相电路中，无论是电源
或负载，均可接成星形（Y）或三角形（）。
26、在星形联接的三相四线制电路中，把各相端线与中线点之间的电压称为相电压，端线与端线之间的电压称为线电压。
且线电压的有效值是相电压有效值的3倍。
而线
电压的相位则超前于相应的相电压30度。
27、在星形联接的三相四线制电路中，把电源或负载各相中流过的电流称为相电流，各端线中流过的电流称为线电流。
且相电流等于线电流。
28、在三角形联接的电路中：
线电压等于相电压；当相电流对称时，线电流也是对称的。
并且线电流有效值为相电流有效值的3倍。
而线电流的相位则滞后相电流30度。
29、对称三相电路的功率计算方法：
有功功率：
无功功率：
视在功率：
功率因数：
电子技术基础知识：
㈠模拟电子技术：
1、PN结：
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础。
2、PN结的单向导电性：
PN结加正向电压时，形成较大的正向电流；而在加反向电压时，反向电流很小，这种特性称为单向导电性。
3、半导体二极管：
是由PN结加上引出线和管壳构成的。
4、半导体二极管的特性：
1正向特性：
正向电压超过某一数值后，产生明显的正向电流。
2反向特性：
在给二极管加反向电压时，反向电流很小。
3反向击穿：
当加反向电压超过二极管的耐受值时，反向电流会变得很大，二极管击穿。
5、晶体三极管：
又称双极型晶体管。
有两个PN结，有三个区，分别称为发射区、基区、集电区。
发射区与基区间的PN结称为发射结，集电区与基区间的PN结称为集电结。
6、晶体三极管具有放大作用，即在输入端（基极）用一个小的变化量去控制使输出端（集电极）产生一个大的，与输入变化相对应的变化量。
㈡数字电子技术：
7、数字量：
在自然界中，有一类物理量的变化在时间上和数量上都是离散的。
也就是说，它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间。
同时，它们数值大小和每次的增减变化都是某一个最小数量单位的整数倍。
我们把这一类物理量叫做数字量，把表示数字量的信号叫做数字信号，并且把工作在数字信号下的电子电路叫做数字电路。
8、数制：
我们把多位数码中每一位的构成方法以及从低位到高位的进位规则称为数制。
常用的数制有：
十进制，二进制，八进制。
9、码制：
不同的数码不仅可以表示数量的不同大小，而且还能用来表示不同的事物。
在后一种情况下，数码只是不同事物的代号，我们将这种数码称为代码。
为了便于记忆和查找，在编制代码时总要遵循一定的规则，这些规则就叫码制。
10、逻辑代数的基本运算有与、或、非三种。
11、逻辑函数：
当输入变量的取值确定后，输出变量的取值便随之而定，因而输入与输出之间乃是一种函数关系，我们将这种函数关系称为逻辑函数。
12、门电路：
用以实现基本逻辑关系的电子电路通称为门电路。
13、门电路中的二极管、三极管通常工作在开关状态。
14、根据逻辑功能的不同特点，我们把数字电路分成两大类，一类叫做组合逻辑电路，另一类叫做时序逻辑电路。
15、为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须把模拟信号转换成相应的数字信号，这种转换称为模—数转换。
16、把处理得到的数字信号再转换成相应的模拟信号，这种转换称为数—模转换。
三、电磁学基础知识：
四、电机基础知识：
㈠交流异步电动机：
1、交流电机：
是一种将机械能和交流电能进行相互转换的旋转式电磁机械。
包括将机械能转变成交流电能的交流发电机和将交流电能转变成机械能的交流电动机。
2、交流电动机包括异步电动机和同步电动机。
3、异步电动机具有构造简单、工作可靠、维护方便、价格便宜等特点，得到十分广泛的应用。
4、三相异步电动机是由定子（固定不动的部分）和转子（转动的部分）两大部分组成。
5、异步电动机定子主要由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。
6、异步电动机转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成。
7、在异步电动机中，当三相对称电流流进定子绕组是会产生旋转磁场。
其旋转方向与三相电流的相序是一致的。
其转速为：
n060f。
（为电流的频率，p为磁极对数）
8、当异步电动机拖动机械负载时，转子转速n低于旋转磁场转速n0,定子旋转磁场以相对转速n0n切割转子绕组中的导体，在转子中产生电势与电流。
9、异步电动机在起动的瞬间，会产生很大的起动电流，通常是电动机额定电流的4—7倍。
一般规定异步电动机的功率低于7.5kw时允许直接起动。
电动机功率大于7.5kw时，如果电源总容量较大，且满足公式：
降压起动的方法。
10、异步电动机常用的降压起动方法有：
电抗或电阻降压起动，星—三角（Y--）起动,自耦变压器降压起动，变频器调速起动等。
11、三相异步电动机的调速目前主要采用变频器控制调速。
12、电动机控制元件：
主要有自动空气开关、交流接触器、热继电器、中间继电器、按钮、指示灯等。
13、热继电器对电动机起的保护作用是过载保护。
14、对电动机的保护主要有欠压保护，失压保护，短路保护，缺相保护，过载保护等。
15、当电源因故障缺少一相时，电动机带电的两相定子绕组电流会升高，电动机转速下降，如没有缺相保护，电动机将烧毁。
第二部分电气应用技术
一、工业供电技术：
16、变电站：
是变换电压和交换电能的场所，主要由变压器、母线和开关控制设备等组成。
17、配电站：
只有受电及配电开关控制设备而没有变压器的场所。
18、电力网：
是输送和分配电能的通道。
19、电能用户：
包含工业企业在内的所有用电单位均称为电能
用户。
20、由发电厂、变电站、电力网和用户组成的系统称为电力系统。
21、低压配电网：
是指电压经变电所降为380/220V后，送到用户的低压配电线路。
22、为了控制方便，在变电所的出端与负载之间应安装低压配电屏（低压开关柜），作为控制枢纽。
23、低压配电屏是由刀开关、熔断器、自动空气开关、交流接触器、继电器、互感器和计量仪表等电气研究组成的。
24、低压供电线路，根据负荷等级、大小、分布情况及负载性质等进行选择，其接线方式包括：
放射式、树干式、环形式等。
25、低压配电线路有架空线路和电缆线路两种。
26、电缆线路具有不受外界影响（风、雪、结冰）、美化城市等优点，但缺点是投资大，寻找故障和检修困难。
27、架空线路施工容易、投资少、维护方便，但缺点是易受天气等外界因素影响。
二、安全用电：
1、安全用电：
是指一切用电人员，在既定环境条件下，采取必要的措施和手段；在确保人身及设备的前提下，正确使用电气设备。
2、电气事故主要包括电对人体的伤害（电伤和电击）
和对设备的损害（线路损害、电气设备损害、引起火灾）
3、人体触电的方式主要有：
直接接触触电；跨步电压触电；接触电压触电等。
4、直接接触触电：
是指人体与电气设备的带电部分直接接触所发生的触电。
5、直接接触触电又分为单相触电和两相触电。
6、单相触电：
当人体只接触一根相线（火线）时，电流通过相线经人体流入大地，这种触电称为单相触电。
7、两相触电：
当人体有两点同时接触到三相电路中任意两根相线，电流就会从一根相线经人体流入另一根相线，形成通路，这时人体处于线电压之下而触电。
8、安全用电的技术措施主要有：
接地保护；接零保护；防雷保护等。
9、电气人员在进行电气设备检修或操作时，必须遵守安全规程和操作规程。
三、半导体变流技术：
1、半导体变流技术：
即电力半导体变流技术，就是利用半导体器件把电能进行变换的技术。
它包括电压、电流、频率、波形和相数等的变换。
2、电力半导体器件目前包括（硅）整流管、晶闸管及其派生型、功率晶体管及其派生型和高效电力光电器件，在工业应用中，还是以晶闸管为主。
3、电力电子学：
是应用于电力技术领域的电子学，它是电气工程三大主要领域：
电力、电子和控制之间的边缘学科。
4、晶闸管是一种大功率的电力半导体器件。
它的工作方式是静止型的，因此无噪音，无磨损。
它既是电子元件，又是大功率器件，具有响应快、体积小、频带宽、使用寿命长等优点。
5、当前以晶闸管为主体的电力半导体器件已成为变流技术发展的基础，按其功能可分成以下几种类型：
整流器---把交流电压变为固定或可调的直流电压。
逆变器---把固定直流电压变成固定或可调的交流电压。
斩波器---把固定直流电压变成可调的直流电压。
交流调压器---把固定交流电压变成可调的交流电压。
周波变换器---把固定的交流频率变成可调的交流频率或可调的交流电压。
6、晶闸管T具有三个极：
阳极A、阴极K和门极（或称控制极）G。
7、晶闸管的阳极A和阴极K分别与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路；晶闸管的门极G和阴极K分别与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
8、晶闸管相当于一个可以控制的单向导电开关，在晶闸管具有正向阳极电压的情况下，再在门极加入适当的信号，可以使晶闸管由“断态”变为“通态”，因此，又称门极为控制极。
9、晶闸管的触发电路：
晶闸管由“断态”变为“通态”的条件有两个：
一是在电路中阳极的电位高于阴极电位；二是在门极与阴极间加适当正向电压、电流（触发）信号。
这个触发信号就是由触发电路提供的。
10、晶闸管对触发电路的要求：
1触发信号可以为交流、直流或脉冲形式。
2触发信号应有足够的功率（电压、电流）。
3触发脉冲信号应有一定的宽度，保证触发的晶闸管可靠导通。
4触发器要有足够的移相范围。
5触发电路与主电路必须同步。
6触发电路应有足够的抗干扰能力。
11、晶闸管的保护电路：
在晶闸管的使用必须配以保护电路，主要包括过电压保护和过电流保护。
过电压保护按照保护的部位可以分为交流侧保护、直流侧保护和器件保护。
12、变频器按能量变换的情况可以分为交流—交流变频器，交流—直流—交流变频器两种。
前者是直接将工频电源转变成所需频率的交流电源，所以也称直接变频。
后者则是把直流电能（一般是经交流电源整流而得）转变成所需频率的交流电能，所以称为逆变器。
四、检测技术、电与非电测量：
1、测量：
就是通过物理实验的方法，以同性质的标准量（国
际或国家公认的）与被测量比较，确定被测量对标准量的倍数的过程
2、测量变换：
由于多数情况下，被测量与标准量不能直接比较，需要把被测量变换成便于比较的某个中间量。
测量变换就是把被测量按一定的规律变成便于传输或处理的另一种物理量的过程。
能完成变换任务的元件称为变换元件。
3、变换元件都是以一定的物理定律为基础的，用来完成一个特定的变换任务，多个变换元件的有机组合，就构成了测量仪表。
4、最简单、理想的变换规律是变换前后的参数成比例关系，即变换元件具有线性特征。
5、测量方法：
通常分为直接测量法和间接测量法两大类。
6、间接测量法：
就是不直接测量被测量，而是先测量与被测量有某种确切函数关系的其他几个物理量，然后再根据已知的函数关系，计算出被测量的值。
7、测量仪表的基本功能：
检出和变换功能；标准量保存功能；运算和比较功能；结果显示功能。
8、传感器：
能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。
传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件，产生可用信号输出的转换元件，以及相应的电子线路所组成。
9、温度的测量可以分为接触测温法和非接触测温法两大类。
其中膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计均属于接触测温法；辐射式温度计则属于非接触测温法。
10、膨胀式温度计包括液体膨胀式温度计（如水银温度计）和固体膨胀式温度计（如双金属温度计）。
11、热电偶温度计的优点：
精度高、结构简单、测温范围广、动态响应速度快、信号可远传，便于集中检测和自动控制。
12、热电阻温度计的优点：
测温精度高、测温范围较大（尤其在低温方面）、便于远距离及多点测量、便于自动测温等。
主要包括铂电阻、铜电阻、镍电阻和半导体热电阻等。
13、测量压力的仪表按照工作原理的不同，可以分为四大类：
1液柱式压力计：
将被测压力转换成液柱高度差进行测量。
包括U型压力计，单管压力计，压缩式真空计等。
2弹性式压力计：
将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量。
包括弹簧管压力计，波纹管压力计，膜式压力计等。
3活塞式压力计：
将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的
重量进行测量。
它是一种标准型压力测量仪器，用来校验弹簧管压力计等。
4电气式压力计：
将被测压力转换成各种电信号进行测量。
包括压电式压力计，振弦式压力计，应变片式压力计、热电偶式压力计及电离式压力计等。
14、前三类压力测量仪表属于机械式压力计，结构简单、使用
方便、技术成熟；但只能作为就地仪表来使用，测量数据不能直接远传，仪表的动态特性较差。
15、电气式压力计的优点：
压力传感器体积小，灵敏度高，结
构简单，动态特性好，便于信号远传及自动测量。
第三部分自动控制技术
一、自动控制原理：
1、自动控制：
在没有人参与的情况下，通过控制器，使被控对象或被控过程具有预定的状态和性能，这样一个过程称为自动控制。
2、控制系统：
控制器和被控对象的总和称为控制系统。
两者组合在一起，共同完成确定的任务。
3、被控量：
在控制系统中，按规定的任务需要加以控制的物理量。
4、控制量：
作为被控量的控制指令而加给控制系统的输入量。
5、扰动量：
干扰或破坏系统具有预定状态和性能的所有物理量。
6、对于稳定的自动控制系统，一定的控制输入，就有相应的确定的输出。
系统的这个输出，也可以称为系统对控制输入的响应，它是时间的函数。
自动控制的目的就是保证系统对控制输入有满意的响应。
7、控制方式：
根据采用的控制策略，可以把控制方式分为开环控制和反馈控制。
8、反馈控制系统的组成：
基于反馈控制策略构成的自动控制系统，除被控对象外还需要包括以下各种基本元件：
1测量元件：
是用来测量控制量和被控量的元件。
2比较元件：
用来实现被控量与控制量比较并产生偏差信号
的元件
3放大元件：
由于偏差信号一般都比较微弱，不能直接用于驱动被控对象，需要进行放大，使其具有足够大的幅度和功率。
因此，控制系统必须具有放大元件。
4执行元件：
用来实现控制动作，直接操纵被控对象的元件就是执行元件。
它根据偏差量的大小产生控制动作，驱动被控对象。
5校正元件：
对于控制性能要求比较高的系统或者比较复杂的系统，为了改善系统的控制性能，提高系统的控制质量，需要在系统中引入专门元件，这类元件称为校正元件。
9、对自控系统的基本技术要求：
1稳定性：
反馈控制系统必须具有跟踪（或复现）控制量以及消除干扰影响的能力。
2瞬态质量：
控制系统对输入信号的时间响应中的瞬态分量，描述过渡过程中系统的动态性能，并常用系统的阻尼特性和响应速度来表征。
反馈控制系统必须具备合乎要求的阻尼特性，对输入信号的响应速度也必须满足设计指标的要求。
3稳态精度：
反馈控制系统的稳态品质用稳态精度来表征。
而稳态误差又是稳态精度的度量。
通常把典型输入信号作用下系统的稳态误差，作为对稳态精度的基本要求。
10、系统的数学模型：
描述物理系统性能的数学表达式叫做系统
的数学模型。
它包括多种形式的数学模型：
微分方程、传递函数、脉冲响应函数、状态变量表达式等。
11、系统微分方程的建立：
自动控制系统的动态性能可以用微分方程来描述。
建立系统和元件微分方程式的一般步骤如下:
1分析系统和各元件的工作原理，找出各物理量之间的关系，确定系统和元件的输入变量和输出变量。
2找出各元件输入变量和输出变量之间的内在联系，确定其内在联系所遵循的物理定律和化学定律，并依此列写原始方程式。
3对原始方程式进行数学处理，忽略次要因素，简化原始方程式。
若元件具有非线性特性，则将非线性方程式线性化，建立线性方程式。
4消去系统的中间变量，最后求出描述系统输出量与输入量之间关系的运动方程式。
12、传递函数：
是物理系统的一种数学模型，它可以大大地简化对系统动态性能的分析和研究过程。
13、控制系统分析的方法：
控制系统时域分析法、控制系统频域分析法、根轨迹法、状态空间法等。
二、电力拖动自动控制技术：
㈠直流调速系统和随动系统
㈡交流调速系统：
1、常见的交流调速系统：
①降电压调速；②电磁转差离合器调速；③绕线转子异步电机转子串电阻调速；④绕线转子异步电机串级调速；⑤变极对数调速；⑥变频调速等。
2、按照交流异步电机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：
一部分是拖动负载的有效功率P21-sPm；另一部分是转差功率PssPm（与转差率成正比）。
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是没有价值的消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。
3、以转差功率的消耗为出发点，将异步电机的调速系统分为三大类：
⑴转差功率消耗型调速系统：
即全部转差功率都转换成热能的形式消耗掉。
上述的第①、②、③调速系统都属于这一类。
这一类调速系统效率最低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，越向下调速则效率越低。
⑵转差功率回馈型调速系统：
即转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或者转化为机械能加以利用。
转速越低则回收的转差功率也越多，上述的第④调速系统属于这一类，其效率比第一类要高，但增加变流装置也要消耗一部分功率。
⑶转差功率不变型调速系统：
转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。
上述的第⑤、⑥调速系统属于这一类，尤其是第⑥种变频调速，可以形成高动态性能的无级调速系统，最具有应用价值。
三、自动化仪表与过程控制：
1、自动化仪表：
生产过程自动化中必需的一类专门仪器仪表。
它包括对工艺参数进行测量的检测仪表；根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表（调节器）；根据调节仪表的命令对生产装置的物料或能量进行控制的执行器等。
2、自动化仪表的基本技术指标：
1精确度：
模拟式仪表的合理精确度，应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量。
（仪表的精确度等级都是根据其基本误差确定的）。
2灵敏度和灵敏限：
灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出变化值与被测参数变化量之比表示。
灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。
3变差：
在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参数进行反复测量时，所产生的最大差值与测量范围之比称为变差。
仪表的变差越小，其输出的重复性和稳定性越好。
4动态特性：
仪表除了静态误差外，在输入量随时间变化时，由于仪表内部的惯性和滞后，还存在动态误差。
在闭环控制系统中，仪表的动态特性不仅影响自身的输出，还直接影响整个调节系统的调节质量。
3、检测仪表的种类：
根据仪表检测的对象不同，大致包括以下几种：
温度检测仪表；压力检测仪表；流量检测仪表；液位
检测仪表；成分分析仪表等。
4、调节器的作用：
把测量值和给定值进行比较，得出被调量偏差后，根据一定的调节规律产生输出信号，推动执行器。
5、PID调节器：
是对偏差信号进行比例、积分、微分等运算的装置，因而是一种具有特定传递函数的调节器。
6、PID调节器的特点：
将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，可以实现快速敏捷、平稳准确的调节效果。
其中比例运算电路主要用来放大信号；微分运算电路主要用来加快系统
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