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电气工程导论 序 资料来源 周克定 男 1921年6月1日生 湖南湘阴人 中国首批国家学位委员会评选的博士生导师 湖北工业大学和华中理工大学 现华中科技大学 教授 著名工程电磁场专家 中国民主同盟盟员 序 序 把供电单元输出的功率10kW电力以微波无线传输 用接收到的部分电力点亮了500m远处受电单元侧设置的LED灯 500m的无线供电是日本最长的距离 10kW的输出功率在日本也是最大的 序 两个问题 1 这门课有什么用 2 这门课怎么考试 序 这门课有什么用 1 了解电气工程的概貌2 调查电气工程教育的国内外慨况3 整理电气工程学科研究的现状和未来方向4 对就业领域及未来工作环境作准备 序 这门课怎么考试 1 27位同学分为5个小组 每5人一组 2 对小组工作的贡献30 3 小组总体表现30 4 出勤10 5 课程测验30 序 项目工作初步计划 1 分组工作及推选组长 含推选各组发言人 及评估 2 美国电气工程专业调查报告 详细课程说明及研究内容说明 3 各类发电系统的原理及评估 4 典型电力装备的原理及评估 5 电气工程学科前沿问题描述及讨论 导论分为三个部分 一 电气工程学科的起源二 电气工程的主要研究内容及应用领域三 电气工程学科的发展趋势 一 电气工程学科的起源 电气工程 英文为 ElectricalEngineering这个词早期的翻译是 电机工程 ElectricalEngineering目前仍被翻译成 电机工程 有3个地方 中国电机工程学会 CHINESESOCIETYFORELECTRICALENGINEERING中国电机工程学报 ProceedingsoftheCSEE清华大学电机工程与应用电子技术系 TsinghuaUniversityDepartmentofELECTRICALENGINEERING 一 电气工程学科的起源 关于Electricity 电 英国科学家W 吉尔伯特 WilliamGilbert 1600年发表了 论磁 OntheMagnet一书 该书系统地讨论了地球的磁性 认为地球是个大磁石 可以利用磁倾角判断地球各处的纬度 并根据希腊文字 和拉丁文字electrum创造了Electricity这个词 一 电气工程学科的起源 1600年摩擦起电机1729年发现导体1745年发现电可储存并制成莱顿瓶19世纪制造带有莱顿瓶的摩擦起电机 一 电气工程学科的起源 1752年首次将正 负号用于电学中BenjaminFranklin1777年发明能够测量电荷量的扭力天平CharlesAugustindeCoulomb1785年库伦定律1800年发明伏特电池将化学能转换成电能AlessandroVolta1820年发现电可转化为磁现象丹麦科学家奥斯特1820年发现两根通电导线之间会发生吸引或排斥AndreMarieAmpere安培定律成为电动力学的基础1827年用公式描述电压 电流 电阻之间的关系 创立了电学中最基本的定律 欧姆定律GeorgSimonOhm 一 电气工程学科的起源 库伦定律 真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力 与它们的电荷量的乘积成正比 与它们的距离的二次方成反比 作用力的方向在它们的连线上 同名电荷相斥 异名电荷相吸 一 电气工程学科的起源 安培 一 电气工程学科的起源 欧姆 一 电气工程学科的起源 1831年 电磁感应 实验MichaelFaraday1864年建立麦克斯韦方程JamesLudwigMaxwell 詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 迈克尔 法拉第 一 电气工程学科的起源 麦克斯韦方程组 Maxwell sequations 是一组描述电场 磁场与电荷密度 电流密度之间关系的偏微分方程 它由四个方程组成 描述电荷如何产生电场的高斯定律 论述磁单极子不存在的高斯磁定律 描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦 安培定律 描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律 1 积分形式的麦克斯韦方程组 2 微分形式的麦克斯韦方程组 一 电气工程学科的起源 我国早期大学设立电类专业的年份 资料来源 百年回眸 中国电气工程高等教育100周年 一 电气工程学科的起源 关注美国11所大学的电气工程专业 4伊利诺伊大学香槟分校 一 电气工程学科的起源 湖北省具有电气工程一级学科的高校 二 电气工程的主要研究内容及应用领域 电机与电器 电机分类 按功率转换方向分 1 发电机 将机械功率转换为电功率2 电动机 将电功率转换为机械功率 按应用电流的种类分 1 直流电机 使用直流电流2 交流电机 使用交流电流 按功率大小分 1 大型电机2 中小型电机3微型电机 发电机 电动机 电机与电器 电机与电器 电机分类 按运行速度分 1 变压器 非旋转电机2 直流电机 没有固定的同步速度3 异步电机 转子速度永远与同步速度有差异4 同步电机 速度等于同步速度5 交流换向器电机 速度可在宽范围内调节 特种电机 步进电机 直线电机 无刷电机 稀土永磁电机 开关磁阻电机 超声波电机等 电机与电器 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件 在非超载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 步进电机steppingmotor 电机与电器 直线电机linearmotor 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能 而不需要任何中间转换机构的传动装置 它可以看成是一台旋转电机按径向剖开 并展成平面而成 高速磁悬浮列车磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子 美 英 日 法 德 加拿大等国都在研制直线悬浮列车 其中日本进展最快 电机与电器 无刷电机Brushlessmotor 无刷电机和有刷电机有相似之处 也有转子和定子 只不过和有刷电机的结构相反 有刷电机的转子是线圈绕组 和动力输出轴相连 定子是永磁磁钢 无刷电机的转子是永磁磁钢 连同外壳一起和输出轴相连 定子是绕组线圈 去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷 依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形 在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场 这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动 电机就转起来了 电机与电器 稀土永磁电机的工作原理与电励磁同步电机相同 区别在于前者是以永磁体替代励磁绕组进行励磁 当永磁电机的三相定子绕组 各相差120 电角度 通入频率为f的三相交流电后 将产生一个以同步转速推移的旋转磁场 稳态情况下 主极磁场随着旋转磁场同步转动 因此转子转速亦是同步转速 定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止 它们之间相互作用并产生电磁转矩 驱动电机旋转并进行能量转换 稀土永磁电机 电机与电器 稀土永磁电机 唐任远 1931 6 25 电气工程专家 上海市人 1952年毕业于上海交通大学 现任沈阳工业大学研究所所长 教授 国家稀土永磁电机工程技术研究中心主任 2001年当选为中国工程院院士 创建稀土永磁电机理论研究体系和开发技术 在防失磁和永磁磁路设计等关键技术上有重大突破 在实践中取得重大成果 研制成我国首台稀土永磁电机 与工厂联合开发出当时世界容量最大60 160kVA稀土永磁副励磁机 近期主持研制成1120kW异步起动稀土永磁同步电动机等12种稀土永磁电动机 电机与电器 开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机 SRM 是SRD中实现机电能量转换的部件 也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志 SRM系双凸极可变磁阻电动机 其定 转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成 转子既无绕组也无永磁体 定子极上绕有集中绕组 径向相对的两个绕组联接起来 称为 一相 SR电动机可以设计成多种不同相数结构 且定 转子的极数有多种不同的搭配 开关磁阻电机SwitchedReluctanceDrive 电机与电器 超声波电动机 UltrasonicMotor缩写USM 是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动器 与传统的电机不同 超声波电机无绕组和磁极 无需通过电磁作用产生运动力 一般由振动体 相当于传统电原理机中的定子 由压电陶瓷和金属弹性材料制成 和移动体 相当于传统电机中的转子 由弹性体和摩擦材料及塑料等制成 组成 在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时 利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段 频率为20KHZ以上 产生微观机械振动 并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动 超声波电机UltrasonicMotor 电机与电器 散热器风扇电动机油冷却风扇电动机空调热风电动机阻流片控制电动机 自动空调执行器真空泵 前灯雨刷 减震直线电动机 自动窗电动机 后视镜电动机 燃油泵 自动门锁电动机 碰撞缓冲器控制电机 后灯雨刷电动机 后雨刷电动机 空气净化器后部空调 自动伸缩天线电动机 热量回收泵自动水平校正器自动调速泵油门控制电动机 启动电动机 前雨刷电动机风挡清洁泵 座椅滑动控制电动机座椅升降电动机座椅角度调整电动机空气靠垫泵电动按摩坐垫 DVD电动机 电机与电器 电机应用领域电力工业 汽轮发电机水轮发电机风力发电机工业与建筑业 机床轧钢机鼓风机印刷机水泵抽油机起重机传送带生产设备电梯自动门旋转门 交通运输 电力机车与城市轨道交通内燃机车船泊汽车电动汽车磁悬浮列车驱动直线电动机轮轨车辆驱动医疗 心电机X光机CT机呼吸机电动轮椅人工心脏人造器官 办公设备 DVD驱动器磁盘驱动器打印机复印机传真机碎纸机家用电器 电冰箱空调器吸尘器电风扇抽油烟机吹风机电动牙刷微波炉转盘 航空 航天 国防 直线感应电动机飞机助推器全电舰船军用雷达航空器其他领域 演出设备运动训练设备家具游乐设备电动玩具 电机与电器 电动机的选用与控制电动机种类的选择电动机功率的选择电动机的启动控制电动机的调速控制电机学研究的内容高效节能电机成为全球电机产业发展共识新能源汽车发展带动驱动电机快速增长 电机与电器 电器的概念 广义的电器概念 指所有的用电器具及设备 特指的电器概念 在电气工程中 电器指用于对电路接通 分断 对电路参数进行变换 实现对电路或设备的控制 调节切换 和保护等作用的电工装备 设备和组件 电机 变压器在这里称为生产和变换电能的机械 不属电器之列 电机与电器 电器的分类 按功能分类 1 用于接通和分断电路的电器如 刀开关 接触器 负荷开关 隔离开关 断路器等 2 用于控制电路的电器如 电磁起动器 星 三角起动器 自耦减压起动器 频敏起动器 变阻器 控制继电器等 电机与电器 电器的分类 按功能分类 3 用于切换电路的电器如 转换开关 主令电器等 4 用于检测电路参数的电器如 互感器 传感器等 5 用于保护电路的电器如 熔断器 断路器 限流电抗器 避雷器等 电机与电器 电器的分类 按工作电压分类 1 低压电器工作交流电压在1000V及以下 直流电压在1500V及以下的电器 2 高压电器工作交流电压在1000V以上 直流电压在1500V以上的电器 1 火力发电2 水力发电3 太阳能热发电4 太阳能光伏发电5 核能发电6 潮汐发电7 海水发电8 储能电站9 垃圾发电10 秸秆 气化 燃烧 发电 电机与电器 隔离开关 高压负荷开关 高电压与绝缘技术 2013年1月特高压交流输电项目获国家科技进步奖特等奖已经建成的1000千伏晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 线路全长约640千米 投运4年以来一直保持安全稳定运行 累计向华中地区送电296 44亿千瓦时 拉动GDP增长3200多亿元 替代输煤约960万吨 极大缓解了华中地区缺电局面 向华北地区送水电122 81亿千瓦时 减少弃水电量55亿千瓦时 节约用煤400多万吨 减排二氧化碳1200多万吨 成为我国南北方向一条重要能源输送通道 高电压与绝缘技术 对于电力系统而言 高电压 1kV以上至220kV超高压 EHV 220kV至800kV特高压 UHV 1000kV以上 用输电线将发电厂发出的电能输送到用户 交流发电机发出的6 10kV的电压 经变压器升压 通过主干输电线送到需求地附近的高压或超高压变电站 经过降压 送到二级高压变电站或特别高压用户变电站中 然后通过二级输电线送到配电变电站 经过配电变压器降压 输送到用户 在这一过程中 必须尽可能提高输电电压 因为电流大时 在输电线电阻R上引起的热损耗将增大 提高输电电压 可以提高输出功率 降低损耗 高电压与绝缘技术 电压提高以后 对绝缘就提出了更高的要求 电气绝缘需具备维护高电压长期安全工作的功能 这也是将高电压技术与绝缘技术一起讨论的原因 高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术 有别于以工程设计为基础的应用技术 主要研究内容包括 1 高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象 2 高电压设备的绝缘结构设计 3 高电压试验和测量的设备及方法 4 电力系统的过电压 高电压或大电产生的强电场 强磁场或电磁波对环境的影响和防护 5 高电压 大电流的应用 高电压与绝缘技术 高电压的产生高电压可由一些物理现象自然形成 如雷电 静电等 也可以是为达到某种目的而人为产生 如高压静电起电机 电力系统一般通过高压变压器 高压电路瞬态过程变化产生高电压 高电压与绝缘技术 雷电放电过程电流100kA 电压108kV 持续时间短 当带电的雷云之间或雷云与大地之间出现很高的电位差时 就会发生放电 放电过程产生强烈的光和热 通道温度达到15000 20000 使空气急剧膨胀 震动 发出隆隆响声 形成雷闪 雷击的电功率很大 雷电电流大100kA 雷云电压达108V左右 功率为1010kW 但是雷电能量持续的时间非常短 因此 把雷电转化为可利用的能源价值不大 高电压与绝缘技术 范德格拉夫起电机 VandeGraaffgenerator 又称范德格拉夫加速器 是一种用来产生静电高压的装置 该装置于1929年由荷兰裔美国物理学家罗伯特 杰米森 范德格拉夫发明 范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面 范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压 现代的范德格拉夫起电机电势可达500万伏特 曾被用作正离子加速器和高穿透性X射线发生器的电源 产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源 产生负极性电的则可用于高穿透性的X射线发生器中 高电压与绝缘技术 高电压发生装置发电机电力变压器专门的高电压发生装置交流高电压发生装置 工频试验装置 串联谐振试验装置 低频试验装置 直流高电压发i生装置 指主要用于绝缘和漏电检测中的高压电源 还作带电粒子加速器 电子显微镜 X射线机 静电除尘器的直流高压电源 采用了高频倍压电路 应用了最新的PWM高频脉宽调制技术 闭环调整 采用了电压大反馈 使电压稳定度大幅度提高 使用性能卓越的大功率IGBT器件及其驱动技术 并根据电磁兼容性理论 采用特殊屏蔽 隔离和接地等措施 冲击电压电流发生装置 冲击电压装置 冲击电流装置 高电压与绝缘技术 冲击电压装置 人工模拟雷电冲击 操作冲击 主要用于电力设备等试品进行雷电冲击电压全波 雷电冲击电压截波和操作冲击电压波的冲击电压试验 检验绝缘性能 6000kV冲击电压发生器 高电压与绝缘技术 冲击电流装置主要用于检验电气设备耐受冲击电流稳定的能力 广泛应用于氧化锌避雷器阀片进行冲击电流试验 还可以用于产生等离子体 进行受控核聚变研究 产生液电效应等研究性试验 冲击电流发生器 高电压与绝缘技术 三大类绝缘材料1 气体常用的气体绝缘材料有 空气 氮气 六氟化硫 2 液体主要有矿物绝缘油 合成绝缘油 硅油 十二烷基苯 聚异丁烯 异丙基联苯 二芳基乙烷等 3 固体有机固体 绝缘漆 绝缘胶 绝缘纸 绝缘纤维制品 塑料 橡胶 漆布漆管及绝缘浸渍纤维制品 电工用薄膜 复合制品和黏带 电工层压制品等 无机固体 云母 玻璃 陶瓷制品 固体绝缘材料品种多样 也最为重要 高电压与绝缘技术 绝缘材料在电气设备中的应用金属导体在高电压下长期通电流使用 其性能几乎不劣化 绝缘材料 多为高分子材料 随着带高电压时间延长 其绝缘性能有下降倾向 因此 高电压系统对提高绝缘材料的长期特性 绝缘设计合理化 运行中电机电器的绝缘诊断等理论和技术都有很高的要求 不同的电气设备选用不同的绝缘材料 发电机绕组通常采用环氧酚云母带 变压器主要采用油 纸绝缘 树脂固体绝缘 六氟化硫绝缘 断路器主要采用油 空气 六氟化硫 真空 相对应的有油断路器 空气断路器 六氟化硫断路器和真空断路器 电容型设备主要采用油 纸绝缘 架空输电线路采用分裂导线 即将一根导线用几根电位相等但相互有一定空间间隔到线代替 以提高输电线路的电晕起始电压 高电压与绝缘技术 气体绝缘变电站简介GIS GasInsulatedSubstation 气体绝缘变电站的英文名字简称 在气体绝缘变电站中 大部分的电气设备都是被直接或间接密封在金属管道和套管所组成的管道树中 从外部看不到任何开关 线路和接线端子 管道树的内部全部采用SF6气体作为绝缘介质 并将所有的高压电器元件密封在接地金属筒中 它是由断路器 母线 隔离开关 电压互感器 电流互感器 避雷器 母线 套管8种高压电器组合而成的高压配电装置 1 GIS具有占地面积小 体积小 重量轻 元件全部密封不受环境干扰 2 操作机构无油化 无气化 具有高度运行可靠性 3 GIS采用整块运输 安装方便 周期短 安装费用较低 检修工作量小时间短 共箱式GIS全部采用三相机械联动 机械故障率低 4 优越的开断性能 断路器采用新的灭弧原理为基础的自能灭弧室 自能热膨胀加上辅助压气装置的混合式结构 充分利用了电弧自身的能量 5 损耗少 噪音低 GIS外壳上的感应磁场很小 因此涡流损耗很小 减少了电能的损耗 弹簧机构的采用 使得操作噪音很低 高电压与绝缘技术 高电压与绝缘技术 电气设备绝缘试验工程上的电介质在电场作用下的主要物理现象如极化 电导 损耗 击穿等 很难用工程理论的分析得到圆满解决 这时就需要依靠试验技术来进行研究 解释和判断 通过电气设备绝缘试验 保证产品质量 尽早发现绝缘缺陷 从而进行相应的维护和检修 保证设备安全运行 绝缘试验包括 电气设备的出厂试验 安装时的交接试验 运行中定期进行的预防性试验 附注 电气工程总体上属于工程学科 同属于工程学科的还有 机械工程 土木工程等 一般称为工学 材料科学 化学 食品 医学等学科属于试验学科 一般称为理学 高电压与绝缘技术 电气设备绝缘试验的主要内容1 绝缘电阻及吸收比的测量 2 泄漏电流的测量 3 介质损失角正切值tan 的测量 4 局部放电测量 5 绝缘油的色谱分析 6 工频交流耐压试验 7 直流耐压试验 8 冲击高压试验 9 电气设备的在线监测 高电压与绝缘技术 工频耐压试验设备 高电压与绝缘技术 局部放电测试系统 高电压与绝缘技术 绝缘油色谱分析仪 高电压与绝缘技术 高电压技术应用举例1 等离子体技术及其应用2 激光放电3 液电效应及其应用4 静电技术及其应用5 在环保领域的应用6 在材料 冶金及加工中的应用7 在照明技术中的应用 静电分选设备 电力系统及其自动化 一次能源可以直接利用的能源 直接提供热 光 动力 称为一次能源 植物能源 柴草等 矿物能源 煤 油 天然气 可燃冰等不可再生能源 可再生能源 水 风 潮汐 地热 太阳能等 核能 核裂变 核聚变 二次能源由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源 如电能 称为二次能源 电力系统及其自动化 发电利用各种一次能源资源 生产电能 发电过程就是各种不同形式能源转换为电能的过程 发电厂的类型有 1 火力发电2 水力发电3 太阳能热发电4 太阳能光伏发电5 核能发电6 潮汐发电7 海水发电8 储能电站9 垃圾发电10 秸秆 气化 燃烧 发电11 地热发电 电力系统及其自动化 输电电力的输送 从发电厂或发电中心向消费电能地区输送大量电力 或在不同电力网之间输送大量电力 由220kV及以上电压等级的电力线路及变电站构成的输电网络完成 变电电压等级的变换 在变电站内 由变压器将某个电压等级变换至不同电压等级 配电电能的分配供给 在消费电能地区内 将电能分配给用户 根据电压等级不同 分为 高压配电 35kV 110kV中压配电 1kV 35kV低压配电 1kV以下 如380 220V由相应电压等级的配电线路及配电变电站或变压器构成的配电网络完成 电力系统及其自动化 用电电能