电子元件的进步与马达技术的发展

1.马达控制的初期电子技术

每当提到马达的分类，我们通常都可以看到这样的描述，“马达分为直流马 达和交流马达”。顾名思义，依靠外加直流电运转的马达和依靠交流电运转的马达。初期电子技术的主角是电池，后来发明了直流发电机，代替了电池，从而直流马达应运而生。但当时的直流马达，在运转的同时会迸发出刺眼的火花，这也成为特斯拉发明交流马达的契机。关于这个故事，我们在第一集中就曾经详细介绍。
在本集中，我们将从直流马达和交流电的视角来阐述。
 

交流电控制直流马达—速度控制

交流向远处输送电流通常使用变压器，利用高压向远方供电。在过去的技术水平下，直流输电的升压问题是一难题。虽然现在直流输电仍被使用，但交流输电则是主流。交流马达的转数由电的频率决定，所以在通常50/60Hz的频率下，很难进行大幅度调速。相比之下，直流马达更容易控制速度。从而，如何使用交流电来驱动直流马达，进行速度控制的这一需求，成为工业技术的发展的必然趋势。那么，随之应运而生的就是可控整流器。
 

交流电变直流电的二极放电管

 二极放电管（整流管）的原理
作为在马达线圈上外加的电压，直流电更为适合，因此，有把交流电变为直流电后再使用的技术需求。虽然现在半导体元器件已经更广泛地使用在各个领域，但纵观其发展历史，放电管时代则不容忽视。如果说在电子工程学的马达发展史上，有几个突破性的历史瞬间的话，放电管的诞生就是其中之一。
为典型二极放电管示意图，是在玻璃管内充入惰性气体（例如氦气、氖气、氩气等气体）。在示意图中，可以看到放电管有两个电极，一边为金属电极（或称为碳棒），为外加正向电压的阳极（anode），另一边称为热阴极（cathode），通过把热丝加热，使热丝发射电子。相对于此，当给阳极外加正向电压作用时，从热丝中发射出来的电子就会加速冲向阳极一侧，并在运动过程中与管内气体原子相冲撞，迅即发生电离作用而产生更多的自由电子。此时，气体发出辉光（glow），这种状态则称为等离子状态（plasma）。
根据上述原理，如果把外加两端电极的正负电压相互交换，又会出现何种现象呢？我们知道，电流不会发生逆流的。因为阳极不被加热，也不会发射出最初的电子。所以，我们可以得出这样的结论：这一装置可以起到把交流电转换成直流电的作用（即整流作用）。假设在不充入惰性气体的真空状态下，热阴极只发射电子却不会形成电流，所以也不能对大量电流进行整流。无论真空管还是放电管，这种有两个电极的装置，我们都称之为二极管。英语写成“diode”，目前这个词已经成为半导体时代耳熟能详的专业用语。而二极管被广泛认为是马达驱动中必不可少的元器件，那是采用了半导体芯片的小型优质二极管出现以后的事情。

从二极管（diode）到三极管（triode）——可控整流器（controlled rectifier）的诞生

三极放电管的可控整流器原理
上面，我们谈到等离子的应用，而其另一应用优点是可以通过增加一个电极来控制通电开始时机。关于此项说明，请参照图2示意图。此处增设的电极会对阴极周围电场产生影响。我们知道，即使给阳极外加正向电压，从阴极发射出的电子也不会加速运动，故不能产生等离子状态。但是，如果给栅极外加电压，电子则会加速运动起来，并会穿越栅极，产生等离子状态，所以可以产生大量电流。这样，一旦通电，栅极则无法阻止导电。如果企图阻止导电，则需要与二极管同样，要切换阳极电压。所以，可以通过开始通电，给栅极外加电压来进行控制，我们称这种装置为可控整流器。闸流管即属于放电管的一种（如图3所示）。

电力再生控制

 闸流管控制直流马达速度
用交流电驱动直流马达时，因为可以控制平均电压，进而控制速度。在这里，一个理论步骤至关重要。就是说明了与电感线圈同时使用，可控整流器可以控制马达的再生驱动。
所谓再生，是指机械能转换回电能。众所周知，马达是把电能转换成机械能的装置，而发电机的原理则正好相反。虽然马达也可以作为发电机使用，但如果在若干短时间内反复驱动马达，则可以更有效地提高耗电率，即所谓的电子工程学。而发现可控整流器具有此项功能则是一个巨大的发现，这也可以称为是电力电子技术的起源。同时，也意味着不仅直流马达可以，交流马达的再生驱动也可以实现。

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