电力系统绪论.docx

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电力系统绪论

电力系统绪论

随着现代科学技术的迅速发展，自动控制技术在实际中的应用日趋广泛。

所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置或控制器，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

例如：

生产过程中对压力、温度、频率等物理量的控制；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；雷达跟踪系统和指挥仪控制火炮射击的高低和方位；⋯⋯

控制技术的发展，使随动系统广泛地应用于军事工业和民用工业。

随动系统是一种带反馈控制的动态系统，在这种系统中，输出量一般是机械量，例如位移、速度或者加速度等等。

反馈装置将输出量变换成与输入量相同的信号，然后进行比较，得出偏差，系统是按照偏差的性质进行控制的，控制的结果是减少或消除偏差，使系统的输出量准

确地跟踪或复现输入量的变化。

系统中的给定量和被控制量一样都是位移（或代表位移的电量），可以是角位移，也可以是直线位移。

根据位置给定信号和位置反馈反馈信号以及两个信号的综合比较来分类，可分成模拟式随动系统和数字式随动系统。

由计算机控制的火炮防空系统，便是数字随动系统的典型实例。

由于随动系统的输出量是一种机械量，故其输出常常以机械轴的运动形式表示出来。

该机械轴称为输出轴。

通常输出轴带动较大的机械负荷而运动，在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，这类系统称之为伺服系统。

第一章：

小功率随动系统的原理

1.1小功率随动系统的结构原理

1.2运算放大器

1.3测量元件

第二章：

交流系统

2.1校正装置

2.11无源校正

2.12有源校正

2.2串联校正

2.21比例校正

2.22反馈校正

一、随动系统的结构原理

位置随动系统是一种位置反馈控制系统，因此，一定具有位置指令和位置反馈的检测装置，通过位置指令装置将希望的位移转换成具有一定精度的电量，利用位置反馈装置随时检测出被控机械的实际位移，也把它转换成具有一定精度的电量，与指令进行比较，把比较得到的偏差信号放大以后，控制执行电机向消除偏差的方向旋转，直到达到

一定的精度为止。

这样，被控制机械的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置随动系统。

下面我们结合实际，介绍一个位置随动系统的一般工作过程。

原理框图可描述如下：

工件过程：

因为系统存在惯性，当输入X（t）变化时，输出Y（t）难以立即复现，此时Y（t）≠X（t），即：

e（t）=Y（t）―X（t）≠0，——测量元件将偏差e（t）转换成电压输出——经小信号放大器放大，功率放大器——执行电机转动——减速器——使被控对象朝着消除误差的方向运

动，只要X（t）≠Y（t），就有e（t）≠0，执行电机就会转动，一直到偏差e（t）=0，执行电机停止转动，此时系统实现了输出量Y（t）对输入量X（t）的复现。

当X（t）随时间变化时，Y（t）就跟着X（t）作同样变化，这种现象就称为随动。

随着机电产品及电子元件的不断发展与完善，图1中各个环节均可采用多种不同的元器件来实现。

现将组成系统的元部件按职能分类主要有以下几种。

测量元件：

是用来检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般要转换为电量。

如电位器、旋转变压器或自整角机用于检测角度转换成电压；热电偶用于检测温度转换成电压；测速发电机用于检测电动机的速度转换为电压。

而光电

脉冲发生器作为位置与

}

度的检测元件应用在微机位置控制系统及微机速度

控制系统中。

放大元件：

其职能是将偏差信号进行放大，用来推动执行电机去控制被控对象。

可用晶体管、晶闸管、集成电路等组成的电压放大级和功率放大级将偏差信号放大。

执行元件：

其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。

用来作为执行元件的有电动机等。

减速器：

其职能是实现执行元件与负载之间的匹配。

由于执行元件常为高转速、小转矩的电动机，而负载通常均为低转速、大转矩，所以在执行元件到负载之间需要

引入减速器以达到两者之间的匹配，减速器为一齿轮组。

系统组成

小功率随动系统线路如图所示。

（见附页）

分析该线路各部分的工作原理后，即可得出系统方框图，如图2所示。

旋转变压器：

把位置信号——机械角差转变为电压信号。

这里起测量元件作用。

耦合变压器：

交流放大器：

解调滤波：

交流信号变为直流信号

校正装置：

改善系统性能

直流放大：

信号放大

脉宽调制：

把直流信号调制成与其特定关系的方波信号，此运算放大器工作在开关状态：

饱和或截止。

功率放大：

对控制信号进一步放大，使系统有足够的功率驱动执行电机转动。

执行电机：

把电信号转为机械运动，推动负载运动。

减速器：

实现电机与负载之间的匹配。

电机：

转速高，力矩小。

负载：

转速低，力矩大。

1.3测量元件——旋转变压器的结构原理及数学模型

测量元件的种类：

电位器、自整角机、旋转变压器、光栅、多极旋转变压器、感应

同步器、光码盘。

（a）控制式自整角机

我们这个系统采用自整角机或旋转变压器，通常它是配对使用的。

控制式自整角机工作原理图

图中左边为自整角机发送机，右边为自整角机接收机。

发送机的转子绕组接交流激

磁电压Uj，称激磁绕组。

接收机的转子绕组输出电压，称为输出绕组。

发送机激磁绕组

对定子D1相的夹角用θ1表示，接收机输出绕组对定子D‘

1相的夹角用θ2表示。

（θ1-θ2）

就是发送机、接收机激磁绕组轴线的夹角差值。

经推导后可得出输出绕组中产生的感应

电势的有效值为：

E2=E2maxcosδ式中δ=（θ1-θ2）

通常把δ=90o的位置作为协调位置，把偏离此位置的角度叫做失调角γ，可见δ

=90o

-γ，故：

E2=E2maxcosδ=E2maxsinγ

当接收机输出绕组接上交流放大器时，可认为输出绕组电压

U2=U2maxsinγ

在γ角很小时，sinγ=γ

U2=U2maxγ

控制式自整角机的质量指标：

1、零位电压

当发送机和接收机达到协调位置时，输出绕组的电压只能减小到一个相当小的电压，

这个电压称为零位电压或残余电压。

它的存在使系统灵敏度降低，所以越小越好。

2、比电压

输出电压和差角的关系为：

U2=U2maxsinγ，

在γ角很小时，U2=U2maxγ；即此时可以用正弦曲线在γ=0处的切线来近似代替该

曲线，如图所示

这条切线的斜率称为比电压，其值等于在协调位置附近失调角变化一度时输出电压

的增量，单位为：

伏/弧度，由图可见，切线的斜率大，比电压也大，也就是失调同样的

角度，所获得的信号电压大，因此系统的灵敏度就高。

（b）旋转变压器工作原理：

如图所示，旋转变压器的定子绕组D1D2和D3D4在空间互相垂直，转子同样有互相

垂直的两绕组Z1Z2和Z3Z4。

Z3Z4直接短接是为了负载补偿（如果转子绕组带有负

载，则会有电流在转子绕组中流过，负载电流会产生相反的磁通而引起磁场分布畸变，从而

将使输出特性产生畸变），Z‘

1Z’

2短接同理。

当转子绕组Z1Z2加交流激磁电压UB，则有：

（K为绕组的变比或匝数比）

（其中21Δα=α−α）

当Δα很小时：

Uce=UB.Δα

输出电压Uce与Δα成正比，相位的正负由Δα的正负决定，取上式时，角度可按弧度计算，从而实现将机械角变为误差电压的功能。

一般说来，旋转变压器对角差的转换精度比自整角机高。

四、交流放大器

交流放大器是由基本运算放大器和反馈网络等组成，因有电容的隔直作用，可降低漂移及噪声。

本系统所采用的交流放大器，其线路图为：

交流放大器的输入Usr：

旋转变压器的角差信号通过3：

1的耦合变压器输出到交流放大

器的输入端。

交流放大器的输出Usc：

解调环节的输入信号。

交流放大器的放大倍数为：

这里的C起隔直作用。

稳压管W1、W2用来限制输出信号，主要目的是为了保护交放电路。

交流放大电路正向输出：

Uc1+=W2的稳压值+W1的正向压降。

交流放大电路负向输出：

Uc1-=W1的稳压值+W2的正向压降。

如果输出电压Usc超过限幅（|Usc|>|Uc1|），W1管或W2管击穿，产生强烈的负反馈作用，从而把Usc压下来，使Usc=|Uc1|，交流放大器的输入和输出的波形如

图所示：

交流放大器的放大倍数是确定的，为使系统工作于线性区，应使输入电压较小，即Δθ较小。

五、解调环节

在随动系统中，误差敏感元件的输出信号是交流信号，而我们以前分析研究的校正

网络指在直流情况下进行的，所以在系统中必须引入一个交流信号变为直流信号的环节

——解调环节。

线路图：

晶体管T1、T2对接：

减少残余电压

饱和时：

饱和压降抵消

截止时：

反向电流抵消

晶体管T1、T2作为开关：

截止——断开

饱和——导通

π型滤波电路，减少输出脉动成份。

工作原理：

Ut上正下负，Vbe反偏，T1、T2截止，Usr不能通过。

对输入信号和解调信号的要求：

a）输入信号和解调信号同频率；b）相位差0度或180

度。

当同相时，输出电压为正半周，直流电压的极性为正，当反相时，输出电压为负半周，直流电压的极性为负。

从输入端看进去，解调环节的等效电路为：

所以，它是一个一阶惯性环节。

解调滤波电路的形式很多，可以用类似的方法求出它们对应的传递函数。

三角波发生器

线路图：

三角波发生器如图（a）所示，运算放大器A1组成方波发生器，又称多谐振荡器，它

是以比较器为基础的，基准电压为零，在它的输出端接上一个由运算放大器A2组成的

反相积分器，它们共同组成正反馈电路，形成自激振荡。

设电源接通瞬间，A1的输出电压U1为-Vp，以R3和Wf分压后送到A2的反相输入

端，由于A2的反相作用，电容Cf被正向充电，输出电压逐渐升高，见图（b）。

Cf的充电电流为：

功率放大器

线路图