任务1 到工厂去寻找问题的答案

到工厂去，到现场去，走马观花，去看，去问，去记，去画，去想。走了很多工厂，看了很多设备，回来仔细整理，你得到了什么？你找到答案了吗？

看设备，也看图纸，抄图纸，作笔记，你又得到了什么？你找到答案了吗？

设想一下未来，你已经在工厂中工作了多年，跟电打过了许多交道，看见过、经历过许多事情，积累了相当的经验，你要怎样来整理你的这些无价之宝呢？你会怎样回答这些问题呢？

人类智慧和辛劳创造了精彩纷呈的技术世界。希望你永远像一个好奇的孩子，带着一颗童心，扇动思维的翅膀，在这个世界中漫游。

1.1.1 从整体上理解工业电能变换与测控技术

事物的本质，总是隐藏在现象的背后。只有通过反复的观察、对比、讨论、分析和思考，才能把它挖掘出来。各种各样的工厂，各种各样的工业生产设备，尽管千差万别，却有一个共同的地方，那就是进行电能的变换与控制。这是一个最基本的概念。掌握这个概念去观察工厂，观察设备，观察工业生产过程，就可以从更高、更广、更深的角度理解它们。

工业电能变换包括两大领域，一个是发、输、供电领域，另一个是用电领域。发电领域把非电能变为电能，供给电能用户；用电领域把电能变为非电能，生产出各种物质财富，以满足人们的需要。这两个领域的电能变换，如图1.1.1所示。

除了发电厂和变电站以外，所有的工厂都是电能的用户。本书只讨论用电厂的电能/非电能变换。对非电能/电能变换，只简单的作一介绍。

发电厂的“原料”是非电能，电能则是发电的“产品”。当今主要的发电方式是火力发电、水力发电和原子能发电，分别把煤或石油中蕴藏的化学能、高位水中蕴藏的机械能和铀原子核中蕴藏的核能释放出来，转变为正弦形态50Hz三相系的交流电能并送上电网。99%以上的电能都取这种形态，称为“普电”，即普遍存在的一种普通电能形态。“普电”是所有工业用电的“原料”，与之相反的电能则称为“特电”，即频率不同或波形不同或相系不同的电能。

“特电”多半是工业电能变换的中间产物或产品。“特电”由“普电”经过“深度加工”而得到，所以具有更高的品质和价格。

与传统的火力发电和水力发电方式相比，原子能发电是正在新兴中的发电方式。加速建设大量原子能电站，是当今我国的一项重要的产业政策。除了铀原子裂变发电方式以外，人类正在全力以赴的开发氢原子核聚变发电技术。由包括中国在内的世界主要国家合作研发的商用核聚变反应堆，预计会在2050年左右出现。月球上蕴藏着100万吨核聚变原料氚，将成为人类取之不尽、用之不竭的能源宝藏。石油很快就要枯竭了，煤的蕴藏量也是有限的，而且烧煤和石油产生大量的二氧化碳，严重破坏了人类赖以生存的地球环境，这种局面不能再持续下去了，否则人类就等于自杀。一个清洁发电、可再生能源发电的新能源时代正在到来。

新发电技术在竞争中迅速发展。太阳能、风能、直接发电的化学能、生物能、地热能、潮汐能等，都争先恐后的登上历史的舞台。当前特别值得重视的是风能发电、太阳能光伏发电和化学能直接发电。燃料电池化学能直接发电技术比当今的火力发电技术具有更高的能源利用率，并且不排放二氧化碳，因而将成为火力发电的取代者。中国正走在新能源开发的前列。大规模的风电场已经在华夏大地上崭露头角，光伏发电技术也已在高原和荒漠上初试身手。新的发电方式对电能变换与测控技术提出了很多新的要求，正在促进这个领域快速的向前发展。

发电技术在发展，用电技术也在发展。19世纪发生的电力技术革命，引起了工业生产方式的巨大变革。电能以其不可争辩的优势，取代其他形态的能源而成为工业生产的主要能源。电能最易于输送与分配，各种形态不同的电能之间，电能与各种形态的非电能之间，更易于实现变换，因此，电能的应用促成了大工厂的出现，催生了各种复杂的工艺技术和工业生产流程的诞生。各种工业用电设备通过不同的电能变换获得了所需的各种形态的非电能。

在各种电能/非电能的变换中，电能/机械能变换占有特别重要的位置。把电能变为机械能的主要设备是各种类型的电动机。电动机把以电压u和电流i及时间t的形式输入的电能变换为以轴转矩T和角速度ω及时间t的形式输出的机械能。这一变换如图1.1.2所示。

电力拖动与控制系统不仅是工业中使用最广泛的电能变换系统，而且由于各种工作机械对运动的形式、轨迹、速度、位移、位置、驱动力或力矩的要求各不相同，需要越来越复杂、精确或高速的控制，电力拖动与控制系统与液压、气压传动系统、精密机械传动系统互相融合，正不断发展出各种高性能的一体化的运动控制系统。机械能用于克服机械运动中系统的惯性和负载的阻力。控制机械运动，也就是控制运动所需的这些能量。能量越大，惯性越大，控制也越困难。所以构成高性能的机械运动控制系统需要很高的技术。

电能/化学能变换在工业生产中也占有十分重要的位置。电冶金、电化工、电镀、电铸、电腐蚀需要各种不同的电能/化学能变换系统。这些化学能是电化学能，其值可以用法拉第电化定律Q=nF和电解槽电压（实际需要的反应电压）U来表达，Q是参与电化学反应的电荷量，n是产品的克当量数，F=96500C是法拉第常数。所以，产品所获得的电化学能W是W=nUF，而电化学能可以用nF和U两个参数来表征。电能/化学能变换如图1.1.3所示。

利用电化学能作功的设备是电解槽或电镀槽。电解槽分为水溶液电解槽和熔融盐电解槽两类。电化工是一个非常大的行业。电解食盐用于生产氢氧化钠、液氯、氯酸钠、二氧化氯、氯酸钾或金属钠；电解氯化钾用于生产氢氧化钾、碳酸钾；电解碳酸锰矿生产二氧化锰；电解软锰矿粉生产高锰酸钾；电解硫酸氢铵生产双氧水，这些都是非常重要的化工原料和产品。在冶金工业中，电解有着无可替代的重要作用。数十种有色金属都用电解法来提取或精炼。铜、铅、锌、银用水溶液电解法生产或精制。铝、镁、钙、钠、钾、锂，难溶金属钴、钽、铍、钛、钪、钇、锆、铪、钍、钒、铌、铬、钼、钨、铼等，都用熔盐电解法生产。电镀是非常重要的工业生产部门，电铸、电腐蚀加工在生产中也有独特的作用。在国家的电力负荷中，电化冶金负荷占有很大的比重，很多巨大的“电老虎”都出自其中。所以，这些电能/化学能变换系统的变换效率、可靠性和性能的影响至关重要。

电能/热能变换在工业生产中也有着重要而广泛的用途。温度是物质发生物理或化学变化的必要条件，热能是改变物体温度的驱动力。普通的物质相态有固态、液态、气态，对物质进行处理或加工常常需要通过加热或加冷来改变物质的相态，这时物体所吸收或释放的热量包含两部分，一部分是温变热，一部分是相变热。温变热等于物质的温变比热容（单位质量的物质温度变化1℃所吸收或释放的热量）CT与物体的质量m和温度变化量T的乘积CTmT。相变热等于物质的相变比热容（单位质量的物质发生相变时所吸收或释放的热量）CP与物体的质量m的乘积CPm。所以物体发生物理变化的总热量可以表示为（CTT+CP）m。与此类似，在热力驱动的化学反应中，质量为m的物质发生化学反应时吸收或释放的总热量也可以表示为（CTT+CC）m。其中CC是物质的化学反应比热容，即单位质量的物质发生化学反应时所吸收或释放的热量。所以，电能/热能变换的一般图示如图1.1.4所示。

实现电能/热能变换的元件是导体的电阻。这导体可能是专门的发热元件，可能是容器壁或管道壁，也可能就是加热对象本身，还可能是电弧。工业中常见的电能/热能变换应用如下所述。

① 电阻加热炉：用于机械零件的热处理，渗碳，表面热喷涂，金属、无机非金属材料和陶瓷粉末的成型烧成，单晶熔制，光纤制造，产品或设备的干燥等。

② 工频、中频、高频感应电炉：用于机械零件热处理，热加工（如弯管），耐火碳化物、硼化物、氮化物的快速热处理，特种钢、特种合金、有色金属、磁性合金的熔炼，难熔金属或非金属成型烧结。

③ 交、直流电弧炉：用于黑色或有色金属或合金的熔炼或精练，非金属材料如人工合成云母、氧化铝空心球、硅酸铝耐火纤维等保温材料的生产。

④ 化工电炉：用于提炼磷，制造钙镁磷肥，制造二硫化碳等化工产品。

⑤ 化工反应釜、反应器：用于化工加热或加热加压反应。

⑥ 热压机：用于合成超硬材料如金刚石、碳化硅，制作金刚石刀具、工具等。

⑦ 电焊机：广泛用于机械制造、工程安装、设备维修中，特别是大量用于船舶、汽车、火车等的制造中。

⑧ 注塑机：用于塑料制品的生产。

⑨ 塑料熔接机：用于塑料型材的热熔压接中制作塑料门窗等。

运用上面的观点，可以总结分析所见到的一切电能/非电能变换。在分析时要紧紧记住两点：第一，要遵守能量转换守恒定律，如果不计转换过程中的能量损耗，转换后的能量一定等于转换前的能量。但能量损失是不能不计的。扣除损失掉的能量，就是转换获得的能量。获得的能量与输入的电能之比，就是转换的效率。转换效率即能效是能量转换系统最重要的技术—经济指标之一。第二，能量是有惯性的，或者说能量就是惯性。能量在转换的过程中只能连续变化，不能突变。要使能量突变，就必须有无穷大的功率，而这是不可能的。因此，能量转换必然是一个过程，必然需要时间。忽视了这一点，必定会带来很多问题。例如，切断一个运行中的电路，电路中的磁场能1/2×Li2没有去处，必定会转换为很高的电场能1/2×Cu2，两者相等，即

通常电路中，所以产生的u非常大，可以击穿绝缘，引起电弧来释放能量，造成设备损坏。

1.1.2 从历史发展的内在逻辑上认识和把握工业电能变换与测控技术

从整体上来理解工业电能变换与测控技术，就要分析各种系统的共性与个性。对于各种不同的负载来说，电源只有一个，需求各有不同。因为“各有不同”，它们才有个性。因为“只有一个”，它们又有共性。

“负载提要求，变换定大盘”。负载就是“上帝”，负载决定一切。不同的负载，要求不同形态的能量。不同形态的能量，要求采用不同的变换器。不同的变换器，要求输入不同的“特电”。电解槽、电镀槽要求输入稳定的低压大电流直流电能。交流电动机要求输入电压和频率可按特定规律控制的交流电能。直流电动机要求输入电压的大小和方向可控的直流电能。步进电动机要求输入脉冲频率可控的直流脉冲电能。感应电炉要求输入频率能够跟踪负载自动变化的交流电能。电弧炉要求输入电流高度稳定的可调大电流低电压直流电能。逆变电焊机要求得到电流高度稳定的可调直流电能。各种电阻炉要求“……输入各种不同的使负载温度按给定工艺曲线运行的直流或交流电能等”。这些各种不同的负载就是这样的“提要求”，变换器就是这样的“定大盘”。这就是它们的个性。但这各种不同的要求又都指向电网，指向电网中的“普电”。从电网中获得“普电”，首先要把从电网输入的“普电”变成各自所需要的“特电”，然后才能进行各自的电能/非电能变换。所以，各种电能/非电能变换系统都分解成了“普电”/“特电”变换和“特电”/“非电”变换两个子系统。它们都需要采用“普电”/“特电”变换器。这又显示了它们的共性。

电动机、电热器、电解槽这些电能/非电能变换器在19世纪便已经出现了，但电能/电能变换技术的发展则相对滞后。因为电能/电能变换需要半导体技术，而那时半导体技术还没有出现。在很长的一段时间内，唯一能进行电能/电能变换的设备是变压器或电动机——发电机机组。而且变压器只能进行电压、电流和相位的变换，不能进行频率、波形的变换。而电动机、电热器、电解槽等所要求的不止是电压、电流和相位的变换，还要求频率、波形的变换。电压、电流和相位的变换都是电能形态的量的变换，而不是电能形态的质的变换，所以比较简单。频率、波形的变换则是电能形态的质的变换，比量的变换要复杂得多，困难得多，出现自然要晚得多。

人类从18世纪开始探索、研究、开发电气技术，19世纪出现了改变人类社会生产方式的电力技术革命，发明了发电机、电动机、变压器与电力网，此后相当长的一段时间内，电力技术便一直停留在量的发展上，再没有质的飞跃。19世纪末，在开发电信技术的强大动力推动下，开始出现电子技术。从此，电气技术分化为电力技术和电信技术两大流派。电气技术发展的热点转到了电信技术上。电力技术在电能的频率和波形的变换上一筹莫展，电信技术则因为找到了电子技术这条新道路而日新月异。电信技术在20世纪之初就解决了电信号的频率和波形变换的问题，但这种技术却不能应用到电力技术上。原因是，电信技术中的电压、电流波形与电力技术中的电压、电流波形具有本质上的不同。电信号波形中承载着的东西是信息。信息是没有惯性的。在电信号的变换和传输中所要考虑的是防止信息的损失和畸变，而不是能量的损失和畸变。而电力技术中的电压、电流波形和频率承载着的是能量。能量是有惯性的。在电力波形、频率的变换中必然要遇到惯性的抵抗，必然要有足够的功率来推动，必然要花费时间，必然会出现功率和能量的损失，必须要考虑和尽量减少这些损失。所以，在20世纪中叶之前，“弱电技术强电化”还只能是一种理想，是人们追求的目标，还没有实现的条件。由于电力波形和频率变换的技术没有解决，电力传动、电化学、电加热所需要的各种“普电”/“特电”变换器还没有发明，电力技术便只能停留在它的传统阶段：电力拖动只能是硬启动、恒速拖动，电解、电镀只能是小容量的电解、电镀，电加热只能是小型的、简单的电加热，电熔炼除了交流电弧焊机以外，还只能是一种理想。这个阶段的电能变换与测控技术还没有完全形成，还只是基于电磁开关、手动开关控制基础之上的简单的、低速的、小容量的、不能调节与测控的传统电能变换技术。

社会生产对电能变换与控制的强烈需求，成为推动技术发展的强大动力。电信技术的发展有着这种需求，电力技术的发展也有着这种需求。关键问题是要找到能够快速控制电压、电流和电功率的开关。电磁技术胜任不了这项任务，唯有电子技术才有可能解决这个问题。人们全力以赴的寻找这样的电子开关。20世纪可以说是电子技术革命的世纪。于是人们找到了半导体，找到了PN结，又找到了晶体三极管（1948年）。三极管是一个划时代的发明。三极管是人类做出的第一个半导体电子开关。紧接着，晶闸管出现了（1957年），集成电路也出现了。电子技术几乎同时步入了微电子时代和电力电子时代。晶闸管是人类做出的第一个电力电子开关，是人类走向现代电能变换与测控时代的第一步。紧接着，全控型电力电子开关GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT等的出现，以及电力电子技术与微电子技术的融合，终于迎来了电力电子技术的飞速发展，迎来了电能变换与测控技术的新时代。

电力电子技术是关于电力电子开关设计、制作、测试与应用的现代技术，是用电力电子开关实现电能变换与测控的现代技术，是基于运用电力电子开关对电力波形和频率进行高速切割重组以实现电能变换与测控的新技术。电力电子技术全面开拓了AC/DC、DC/AC、AC/AC、DC/DC四大电能/电能变换领域，为各种电能/非电能变换与测控系统提供了长期以来等待解决的各种“普电”/“特电”变换器，使整流技术、逆变技术、变频技术和直流变压技术登上了现代工业技术的历史舞台并成为重要的核心“演员”。基于电磁变换技术的传统的电能变换与控制技术，因为有了电力电子技术、微电子技术、信息感传技术、现代控制技术和计算机技术的融合而发生了质的飞跃，成为真正意义上的现代电能变换与测控技术。

历史不是偶然的。历史的发展过程展现了技术内在的客观逻辑，对历史的了解能更深刻的把握技术内在的逻辑关系，而对技术内在逻辑关系的把握又能更深刻的理解历史。现在可以把各种工业电能变换与测控系统统一归纳为如图1.1.5所示，以能够更好的理解它们。

工业电能变换与测控系统往往是比较复杂甚至是很复杂的系统，要求我们用系统技术的方法来对待。系统技术方法与传统技术方法不同。传统技术方法不是从整体上考察问题，把对象作为一个整体来对待，而是孤立的处理系统的每一个组成部分，因而无法在系统的设计上、制造上、安装上、调试上、运行上做到各个部分之间的有机配合和协调运行，无法达到系统的优化，甚至造成一些不应有的矛盾，影响系统安全、正常的运行。在处理大型、复杂的工业电能变换与测控系统时，传统技术方法会变得惨白无力。系统技术方法要求把对象作为一个活生生的有机的整体来对待，从整体上提出问题，分析问题，解决问题，使对象的各个部分组成一个和谐有机的整体，达到系统的最优化。在构成一个工业电能变换与控制系统时，首先就要正确处理好上述两个变换子系统之间的关系。从整体上、从历史发展的内在逻辑上来理解和把握工业电能变换与测控技术，决不是凭空论道，而是有的放矢。

1.1.3 正确认识和处理工业电能变换与测控系统中的各种矛盾

把工业电能变换与测控技术作为一门系统技术来对待，运用系统方法，从整体上提出问题，分析问题，解决问题，使系统达到最优化，这是学习这门技术的目的。

系统分析就是矛盾分析。系统越复杂，矛盾越多，正确分析和处理它的矛盾越困难，也越重要。在系统的整体与局部之间，各个组成部分之间，系统与其外界环境之间，存在着各种各样的矛盾。每一个矛盾，都可能影响系统的性能，因而都要认真的对待。分析和处理得好，有利于系统的优化。分析和处理得不好，就有可能降低系统的性能和出力，使系统得不到优化，甚至小问题会变成大问题，局部问题会变成整体问题，次要矛盾会转化为主要矛盾，使系统无法正常运行。

工业电能变换与测控系统和很多系统一样，都服从“水桶定律”：水桶能装多少水，只决定于围成水桶的木板中最矮一块木版的高度。所以，从系统方法的角度来看，高的木板都是浪费，矮的木板则是祸害。高的木板与矮的木版放在一起不匹配，不能组成优化的系统。用好的元件不一定能组成好的系统。用差一点的元件不一定不能组成好的系统。好与不好有一定的相对性，关键在于匹配。

在系统方法中，一方面，不能放过每一个矛盾，不能疏忽每一个细节，另一方面，又不能平均对待所有的矛盾，眉毛胡子一把抓。矛盾有主次轻重之分，基本与非基本之分。对矛盾的分析，要有所侧重。

什么是系统中的基本矛盾？基本矛盾是贯穿始终、影响全局、决定整体的矛盾，进行系统分析，首先要找出它的基本矛盾在哪里？

基本矛盾之一是“普电”/“特电”变换器与“特电”/“非电”变换器之间的矛盾。这两个变换器协同完成总的变换任务。两者的关系是供求关系或源载关系。“普电”/“特电”变换器把取自电网的普通形态的电能加工变换为适合“特电”/“非电”变换器所需要的特殊形态的电能供给后者。在设计时，需方的要求决定供方应有的能力。需方要什么，供方应能给什么。而只有供方能供给什么，需方才能得到什么。需方有自己的负载特性，供方有自己的电源特性，运行时，两方的特性相交，共同决定了系统的工作点。如果电源特性不适合负载特性的要求，工作点就不理想。优化的系统，必定是电源特性与负载特性匹配得最合理的系统。在系统设计、集成、调试、运行中，要在供求双方的契合、源载特性的匹配上下功夫。还要围绕解决好这个大矛盾认真处理好相关的每一个“小问题”。

直流电动机与电压、电流可控的直流电源，交流电动机与电压、频率可控的交流电源，电解槽与电压、电流可控的直流电源等，这些供需矛盾的双方，总是互相制约又互相促进的。从总的方面来说，需求方是最根本的。但是，电源技术的进步，“普电”/“特电”变换技术的诞生和发展，使电动机、电解槽等的性能得到了前所未有的发挥，并促使它们适应新形势的需要而进一步发展。可见在分析解决实际问题时，对每一方面的问题，都要具体对待。电动机、电解槽等是需求，是基础，但电源又是关键，是主导。电动机、电解槽本身没有可以直接控制的地方，只能通过对电源的控制来进行控制。控制电源的目的就是为了控制负载。要控制负载就必须控制电源。在系统中，这两者是一个统一的整体，而电源的变换与控制则是“关键的关键”。

基本矛盾之二，是能量变换与信息控制的相互关系。这两者也是相互依存又相互制约的。能量变换是系统的主题，系统的主体，信息测控则是系统的生命，系统的灵魂。能量变换的特点和要求，决定信息测控系统的构成。如果没有对能量变换进行测控的要求，这测控系统还有什么用？信息测控如果不符合能量变换的特点和规律，这测控能有什么效果？能量变换依靠测控信息，又产生测控信息。能量变换的测控信息必须“到测控系统中去，又从测控系统中来”。而测控系统中的测控信息必须“从能量变换中来，到能量变换中去”，所以测控信息走的是闭合的回路。在系统运行时，系统中存在着源源不断的两股“生命之流”，一股是能量流，一股是信息流。能量流由电源流向负载，历经两次形态的变化，从电网中进来，随产品而出去。除了少数化为热损失掉之外，大部分都“消化”掉了。流入系统的全部能量必定等于流出系统的全部能量，不管能量的形态如何加工变化，能量的本质不变，能量的总量不变。这是能量变换所遵守的基本规律。信息流来自两个方面，一个是操作者输入系统的信息，这是操作信息或给定信息，这些信息规定了能量变换应该如何进行和达到什么要求。另一个是能量变换过程中产生的信息，这些信息通过检测获得，检测应该是不停的由系统自动进行的，它实时反映了能量变换过程的实际情况和设备的状态。控制系统实时的把检测到的信息与给定的信息自动进行比较，并据以决定应该采取的控制策略。如果检测到的信息超过了保护系统规定的允许范围，保护系统就会自动进行保护。能量流与信息流在系统中协调运转系统才正常，否则就会出现问题。如果出现问题，变换进行不下去了，首先就要分清，这是能量流中出了问题，还是信息流中出了问题？如果测控系统中检测不到信息流，那能量变换肯定就进行不下去了。如果测控系统中还可以检测到信息流，而能量变换已经不能进行，则说明问题是出在能量流的通道中。

在这两个流中，能量流与信息流如何接口，也是非常关键的。一个受测受控，一个施测施控，两者如果没有连接好，肯定不能正常工作。可是，能量流是强电，信息流是弱电，两者直接相连，肯定要出问题。所以，这两个流的接口，必须“既要连接，又要隔离”，既要让信息传过去，又不能让能量冲过来。这两个流的接口有两个，一个是测量接口，一个是控制接口。两个接口分别由两个器来担任，一个是传感器，一个是驱动器。测量信息通过传感器从能量流进入信息流；控制信息通过驱动器从信息流进入能量流。口诀中说，“能量何处去，信息如何转？”“核心在控制，驱动作桥梁。反馈闭环稳，关键赖感传。找着源头处，顺着接口转”。结合学习和工作经常去思考这些口诀，你会有越来越多的体会。

经过源载分析、能量流与信息流分析之后，我们就可以把工业电能变换与测控系统画得更加具体和完整了。从图1.1.6中我们看到，输入系统的电能有两个来源，一个是主电源，一个是控制电源。主电源是为负载提供能量的电源，占系统所用能量的绝大部分，所以称为主电源。另一个是控制电源，这是为控制系统提供能量的电源。控制系统的信息是以电能为载体、用电信号的形式传递的，必须有控制电源。这个电源也很重要。如果控制系统不能正常工作，首先就要检查是不是这个电源出了问题？虽然主电源与控制电源都来自电网，但在大容量的系统中，它们却可能来自电网的不同地方；而且控制电源还要有备份，在用的与备用的控制电源要来自不同的地方。这一切都是为了保证系统运行的可靠性。当然，对于小的单机系统，这两个电源就合一了，它们分别通过主电路和控制电路向系统供电。

从图1.1.6中还可以看到，系统的信息源有多个，即操作控制信息源，保护信息源和干扰信息源。这些信息都表现为相应的电信号。操控信息是对设备或系统进行操作控制使系统正常运行的控制信息，可能由操作者在机旁或远方输入，也可能由网络（如果该系统或设已经参与组网）中的上位机或相关设备按程序输入。保护信息中的整定信息在调试时由调试者输入。保护信息中的驱动信息在运行中或者由受保护点的检测装置输入，或者由上位机或相关设备输入。干扰信息是有害信息，可能通过导线传入系统，也可能通过空间传入系统。干扰信息的产生原因比较复杂，也很难完全避免。干扰严重时，系统就不能正常工作。在系统的设计、集成、制作、调试、运行中，如何抗干扰是一个非常重要的问题。除了由外界输入的信息外，还有系统中的各种内部信息源产生的信息，包括检测、反馈控制信息、显示信息、保护信息，也包括内部的干扰信息。检测和反馈控制信息的源与路径在图中已经画出来了，保护信息源则没有标明。保护的项目是多种多样的，要视具体情况而定。哪里需要保护，哪里就是保护信息源。

通俗、形象一点说，“普电”/“特电”变换子系统就是可控的特定电源，而“特电”/“非电”变换子系统就是用电设备，感测/反馈信息变换子系统就是检测设备。如果感到图1.1.6太抽象而难以理解，可以把图1.1.6中的术语换成通俗的名字，变成图1.1.17所示的内容，就会容易一些了。不过，科学术语可以更准确地表达科学概念的内涵和外延，你还是应该慢慢的熟悉它们。

从图1.1.7中可以看出，用电设备的需求及其特性从根本上决定了整个系统的构成，因而是系统的基石，但能量和信息的流入与流出都汇集在可控特定电源上。可控特定电源的复杂性可能远远超过用电设备的复杂性。所以，可控特定电源自然是整个电能变换与测控系统的核心，主导着整个系统的运行。尽管能量变换是系统中最基本的变换，但主导着能量变换的却是信息测控。信息测控系统是整个系统中最复杂的子系统，是“核心的核心”。从整体上提出问题、分析问题、解决问题，一定要抓住这个核心，抓住这个“核心的核心”。

基本矛盾之三是信号与噪声、控制与干扰的矛盾。这个矛盾存在于系统的“核心的核心”中，也是一个贯穿始终、影响全局的矛盾，值得特别重视。

信号是什么？信号是信息的载体，是信息的表现形式。信息则是信号的本质。信息是看不见的，信号则是具体的，有形的，可以识别、解读、量化、加工处理的。这里讲的信号，主要是电信号，包括模拟电信号和数字电信号，但也包括相关的一些非电信号。有用信号在系统中运行，传送着检测、控制、保护、显示的各种有用信息，组成复杂的信息流。无用的或有害的信号也在系统中到处流转，扰乱着正常的信息流，影响系统的品质，降低系统的可靠性，甚至使系统无法正常运行。把有用信号（或者说正常信号）简称为信号，而把除有用信号之外所有的无用的或有害的信号称为噪声。收音机、电视机中发出的声音，就包含着有用的“正声”与讨厌的噪声。但现在噪声已经不止是指讨厌的声音了，系统中除有用信号之外所有无用的或有害的信号都称为噪声。

噪声是怎么来的呢？噪声源非常之多。有来自系统外部，也有产生于系统内部。闪电、打雷，甚至太阳的活动，宇宙的变化，都会产生自然噪声。电网中电流的交变，电流的突然变化，电能的振荡，电力开关的合闸与掉闸，大型设备的启动、换挡，电焊机的工作，电路元件的发热，电器触点的接触不良，带电机械的振动，特别是电网中其他大功率电力电子设备的工作等，都会成为系统外部的噪声源。有些噪声有规律的出现，有些噪声是随机的，不可预计的，但都是无法避免的外部环境噪声。

现代工业电能变换与测控系统，核心都是电力电子设备，而电力电子设备都是按开关方式工作的。并且开关的速度非常快，频率非常高，不仅对电网发出的噪声特别多，特别利害，而且自己给自己“享用”的噪声也特别多，特别利害。晶闸管自己就是个“噪声大王”。晶闸管每触发一次，都会发出一个干扰脉冲，送到电网上。一个三相晶闸管整流器，每个周期要发出6个、每秒钟要发出300个干扰脉冲。工作频率在几十上百KHz的IGBT，那就更不得了了。电力电子设备汇强大的能量与复杂的信息于一身，集“力拔山兮”的强电与“弱不禁风”的弱电于一体，既有高度的统一，又有非常大的矛盾。强大的、高速的能量变化必然产生强烈的噪声，而敏感的娇弱的弱电控制系统又非常害怕这种噪声。自从晶闸管技术得到普遍推广后，电力网就出现了一个大麻烦。电力电子设备都要吃“精粮”，排垃圾。从电网吃进去的是正弦波，排放到电网上的是“垃圾波”。大量的谐波，遍布的噪声成了电网中的公害。真有点“道高一尺，魔高一丈”之势。

噪声产生什么影响？干扰与噪声又是什么关系？噪声是产生干扰的原因，干扰是噪声引起的结果。噪声是不良的或有害的信号，是“魔”。它的对立面是正常的测量、控制、保护和显示信号，是“道”。两者水火不容。噪声信号会改变、削弱、扰乱、淹没、破坏正常的信号，破坏有用信息流的正常运转，破坏电能加工变换的正常进行。当然，要完全消除噪声是不可能的。只要噪声不超过一定的范围，不引起不能允许的干扰，这种噪声还是可以容忍的。但若噪声过强，损害了系统的品质，破坏了系统的性能，降低了系统的出力，影响了系统的可靠性，甚至使系统无法工作，那就真是“道高一尺，魔高一丈”了。这样的噪声是决不能允许的。这种干扰必须排除，必须采取系统的、有效的抗干扰措施，把局面翻过来，变成“魔高一尺，道高一丈”。

要采取系统有效的抗干扰措施，必须彻底查清各种噪声源和噪声传播的通道。要学会“测量解决问题”，学会用仪表测查噪声源和噪声传播的通道，尤其要学会用电子示波器测查噪声源和噪声传播通道。示波器用好了，噪声“魔”就无所遁形。

在彻底查清噪声源和噪声传播通道之后，要有的放矢，对症下药，采取系统的、有针对性的抗干扰措施。既要有切断干扰传播通道的治标之举，又要有削弱甚至清除干扰源的治本之法。可以使用的抗干扰措施是很多的，如对干扰源的清除、移走、隔离、屏蔽、削弱、限制，对噪声信号在干扰传播通道中的阻断、屏蔽、封锁、去耦、隔离、对消、接地、滤波、泄放、吸收、设限、淹没，以及提高控制信号电平，用数字控制代替模拟控制等。抗干扰的实践经验非常宝贵，要在工作中不断探索积累。

基本矛盾之四是控制系统中逻辑控制与连续控制的协同与配合。这是两种最基本的控制方式。两者截然不同，但却存在于一个统一体中，互相依存、互相协调、互相补充，去完成整体的控制任务。

从简单的事物中，可以找到普遍的道理。图1.1.8是一个简单的电路图。

电路中有两类性质与功能完全不同的元件。一类是转换元件，包括电容C、电感L、电阻R和电源G，其功能是实现能量转换或信息转换。例如，电容可以充电/放电，连续吸收或释放电场能量；电感可以充磁/放磁，连续吸收或释放磁场能量；L与C串联或并联，可以实现电场能量与磁场能量的连续交换；电阻可以实现电能/热能的连续单向转换；电池G可以实现非电能/电能的连续转换等。元件端子上的电压与电流之间存在着特定的连续函数关系，称为元件的伏安关系。由于这些元件上的电压、电流、功率、能量都是连续的变量，所以可称为连续转换元件。更复杂的连续转换电路元件有变压器、电抗器、磁放大器、电动机、电磁抱闸、电磁铁、电动调节伐、电焊机、电解槽等。这类元件实质上都是能量的载体。当转换器中的各种能量处于相对平衡时，就称为静态或稳态；若各种能量之间失去了平衡，就会由原来的平衡态向新的平衡态连续变化。这个变化的过程是动态过程，称为过度过程。元件的电压、电流、功率、能量总是在静态与动态这两种状态之间不断变化。按照元件的本性，动态总是要朝着静态的方向转化。但由于电路负载的变化，电源电压的波动，电路中开关的动作，这静态总是要被打破，不得不转入新的动态。

另一类是连接元件（或称为开关元件），包括开关S和导线，其作用是将元件连接成具有一定结构的电路或网络，将各种转换元件的转换功能组合成更复杂的特定的整体的转换功能。连接元件没有转换功能，但却有连接、组织的“能力”。没有它们，转换元件只是“一盘散沙”，有了它们，转换元件才能组成有机整体。理想导线是没有电阻、没有电感、没有电容的连接线，也可以看成是永远接通的“开关”。实际导线的电阻、电感、电容可以忽略，或通过等效变换分离到电路中去。导线的作用往往容易被人们忽略，但有时它们却起着非常重要的作用。例如，一个松动的接线螺丝，一个虚假的焊盘，会制造出烦人的故障跟你玩“捉迷藏”。在输送大电流或高电压时，或在强噪声环境中传送微弱的关键信号时，导线会当仁不让的演上主角。但如果它干得很好，又会变成默默无闻的“无名英雄”。

有些地方，开关和导线有点类似。开关也是一种“导线”：当开关闭合时，是一根接通了的导线；当开关断开时，是拆除了的导线。开关的作用，是进行网络连接状态的切换。一个开关不管它有多少个触点，只要它是一个二位开关，或者说二状态开关，当它装在网络中时，就可以控制这个网络有两种而且只有两种连接状态。如果一个网络中装了2个两态开关，这个网络就可以有22=4种连接状态。如果网络中装了n个两态开关，网络就可以有2n种不同的连接状态，当网络由一种连接状态切换到另一种连接状态时，网络中原来存在的各个转换元件之间的平衡状态就会被打破，各元件的电压、电流、功率、能量就会重新进行分配，动态过程便开始了，直到达到新的平衡，这就是开关控制，或者说逻辑控制。所以，逻辑控制是采用开关元件（或逻辑元件）进行的控制，是通过开关切换改变网络连接状态的控制，是从2n种可能的网络连接状态中选出按照一定的次序、时间、条件出现的网络连接状态、从而使网络中各个转换元件互相配合依序实现预定的能量变换目的的控制，因而也是建立在对切换时间和条件进行实时测量基础上的测控。由逻辑的输入达到逻辑的输出，这就是逻辑控制。

例如，图1.1.8（a）中，当开关S打到左边时，电源G向电容器充电。然后，当开关S打到右边时，电容器向LR串联支路放电。如果这是一个线圈，L很大而导线电阻R很小，L与C组成的并联回路就会发生衰减振荡，电场能量与磁场能量在L与C之间来回交换，并通过电阻R逐步将电能转换为热能耗散到空气中，直至振荡完全停止。如果用一个变压器来代替电感线圈，并将电阻接到变压器的副边上，如图1.1.8（b）所示，电能就会从变压器的一次侧转移到二次侧，仍然会通过电阻R转换为热能。如果用一个空心电磁线圈Y来代替电感线圈L，线圈中有一个被弹簧拉着的软铁棒，振荡的电磁能量就会转换为机械能，克服弹簧的拉力将软铁棒吸向线圈，如图1.1.9所示。

逻辑控制的开关，可以是人力驱动或机械力驱动的有触点开关，可以是电磁力驱动的有触点开关，也可以是无触点的电子开关或电力电子开关。有触点开关只能在极低的速度下工作，不能用于高速的电力电子变换电路中。现在用得最普遍的电力电子开关是晶闸管SCR和绝缘栅门极晶体管IGBT。SCR采用移相触发脉冲进行导通控制，IGBT采用电平驱动进行导通与关断控制。电子开关用于信息处理与控制，主要都用在各种类型的集成电路中。

逻辑控制用改变网络连接状态以实现对连续转换元件及网络的控制，这种控制方式普遍存在于各种电气设备的启动、切换、制动、保护等控制电路中，也普遍存在于组合逻辑和时序逻辑的电子控制电路中，特别是用于实现各种电力电子变换的电路中，是一种基本的十分重要的控制方式。

除了逻辑控制之外，还有另一种重要的控制，那就是连续控制。当网络的连接状态没有发生改变时，通过改变对连续转换元件的连续激励，可以使元件的响应发生连续的变化，从而使其达到最理想的运行状态，这就是连续控制（用连续的激励来达到连续的响应）。例如，通过调节直流电动机的电枢电压或励磁电流来连续控制转速。这种控制有一个很贴切的名字：调节。这一类自动控制系统又称自动调节系统。自动调节系统在工业电能的变换与控制中的应用是非常普遍的。本课程的主要部分都是讨论这种系统。

实际上，逻辑控制与连续调节是控制技术中相辅相成、密切配合的两个方面。在实际系统中，它们是一个整体。只不过在一些简单系统中，主要逻辑控制系统起主要作用。而在复杂一些的系统，性能更高的系统中，除了完备的逻辑控制之外，还有精确的自动调节。