《电气工程及其自动化专业导论》课件-第6章电工理论与新技术

6.1电工理论与新技术的主要内容

主要内容电工理论属于电气工程学科的基础理论部分，电工新技术属于电工理论与电气工程各二级学科以及材料、生物、环境等其它学科的交叉新技术。电工理论研究包含电磁场、电网络、电磁兼容、电工材料、电磁测量与传感器等。电气工程和其他工程科学、物理科学、环境科学、材料科学、生命科学等学科广泛交叉，形成了许多新的学科交叉新技术，如生物电磁、电能存储、超导电工、等离子体、环境电工新技术等。

电气工程的学科分支6.2电工理论研究进展

电工理论发展特点1)历史悠久，活力恒新：从公元前七、八世纪文字记载的闪电和天然磁石现象，到19世纪建立的麦克斯韦电磁场方程组，奠定了人类利用电、磁能量与信息的理论基础，引发了第二次产业革命，促进了电气化的实现。20世纪电气科学技术关注点逐渐转向电磁与物质相互作用的新现象和新原理，衍生出不少新兴技术。2)交叉面广，渗透性强：在近百年的发展中，从电气学科萌生、分化及交叉产生出不少新兴学科，如电子、信息、计算机、自动控制等，电气学科的发展伴随着很强的交叉性，涉及数学、物理学、化学、生命科学、材料科学等。3)研究对象的时空跨度大：在空间上，从微观、介观到宏观，从研究电子在电磁场中的运动到分析数百万平方公里范围内超大规模电力系统的运行，在时间上，从探索皮秒、纳秒级的快脉冲功率到研究月、年长度的电力系统经济调度。

6.2电工理论研究进展

电工理论发展方向电磁场1)计算电磁学：结合实际工程中出现的多尺度、非线性、复杂介质的电磁场与多物理场耦合问题，深化研究各类电磁场数值计算方法，提高求解大规模工程实际问题的能力。2)新型磁性材料建模方法：针对新型磁性材料的快速发展，深入研究磁性材料磁化与损耗的建模方法，重点研究磁性材料在多维激励、复杂工况应用下的磁化与损耗机理、特性、模型以及多模态综合建模方法。3)电磁场与物质的相互作用：主要研究高电压、大电流、强功率条件下的特定电磁装置中电磁场与物质相互作用问题，重点研究特高压、大电流、强功率、高频率、高速运动、超导、微纳尺度等极端情况下的电磁场以及与其他物理场的相互作用问题。

6.2电工理论研究进展

电工理论发展方向电网络：既注重研究电网的智能化、电力电子电路、电力设备模型的分析、设计、诊断的基础理论，更注重与信号处理、数学、计算机、材料学等学科的融合发展。

1)超宽带信号采集理论与系统2)模拟及模数混合信号电路设计3)电路设计与测试自动化4)宽频暂态的建模与分析

5)非线性电路分析与设计理论6)基于新成果的电路建模诊断7)智能电网数据分析与处理8)学科拓展与交叉研究领域6.3新能源技术

新能源发电新能源是指在利用电工新技术开发利用的非常规能源，包括太阳能、风能、地热能、生物质能、潮汐能等。

半导体材料的光电效应光伏发电技术利用半导体的“光伏效应”将光能转化为电能。太阳能发电无污染、无噪声、运行维护简单、应用环境几乎不受地域影响，资源总量非常丰富，是新世纪的主要能源。太阳能电池板6.3新能源技术

新能源发电风力发电原理就是风能向电能的转换，具体就是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机使叶片转速升高，从而使发电机发电。

风力发电系统风力发电的过程中，发电机的转速受风速影响，转速变化会使发电机频率发生改变，因此有必要采用合适的方法(交-直-交或交-交变频器)使发电机频率和电网相同，然后并入电网。海上风电场6.3新能源技术

新能源发电生物质发电是利用生物质本身的能量进行发电，主要包括农林废弃物燃烧发电、垃圾焚烧发电、沼气发电。生物质发电有利于保护环境，并能合理利用废弃物。地热发电是利用地球内部的热能以蒸汽等形式推动汽轮机发电；或者以地热交换的形式来加热低沸点的工作流体，使其变成蒸气，然后带动发电机发电。潮汐发电的过程就是先将海水涨潮、落潮时的水位差所具有的势能变为机械能，再把机械能转变为电能的过程。

生物质发电潮汐发电地热发电6.3新能源技术

储能新技术储能技术主要是指电能的储存，电网负荷低时储能，电网高负荷时输出能量，用于削峰填谷，减小电网波动。能量储存有多种形式，包括辐射、化学、重力势能、电势能、电力、高温和潜热。储能新技术主要可分为机械储能、电磁储能、电化学储能三大类，大规模储能目前主要由水电站发电水坝实现。

各类储能技术的特点6.3新能源技术

储能新技术抽水蓄能电站由上下水库、输水系统和发电系统组成，上游水库和下游水库之间有一定的落差。当处于电力负荷低谷时，利用多余的电将下游水库的水抽入上游水库，以势能的形式储存起来；当处于电力负荷高峰时，开闸放水，把储存的势能再转化为电能。

抽水蓄能6.3新能源技术

储能新技术压缩空气储能技术的工作原理是在电力负荷低谷时，过剩的电量会驱动空气压缩机，使电能以高压空气的形式进行储存；在电力负荷高峰时，储气空间内的高压空气将被释放以驱动发电机发电。

压缩空气储能6.3新能源技术

储能新技术飞轮储能的基本原理是将电能以飞轮动能的形式进行存储。在充电时段，由电机拖动飞轮，飞轮转速提高，多余的电能就以飞轮动能的形式储存起来；在放电时段，飞轮减速，将电动机当作发电机运行，飞轮的动能就会以电能的形式进行释放。

储能飞轮飞轮储能原理6.3新能源技术

储能新技术超导磁储能系统（SuperconductorMagneticEnergyStorage，SMES）是利用超导线圈和变流器将多余电能以电磁形式进行储存，在电力负荷高峰时再通过变流器将储存的电磁能量转化为电能，将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，它具有反应速度快、转换效率高的优点。

超导储能系统示意图日本九州电力公司3.6MJ/1MW低温超导SME6.3新能源技术

储能新技术超级电容器（Supercapacitor，SC）是利用电极表面的电荷流动形成界面双电层，或者是借助电极表面发生的快速氧化还原反应来进行电能的储存和释放。根据不同的储能机理，可将超级电容器分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器（又称法拉第准电容型超级电容器）两大类。

双电层超级电容储能示意图3000F/2.7V超级电容器6.3新能源技术

储能新技术电化学储能是利用氧化还原反应将电能和化学能进行相互转换的二次电池储能技术。利用化学元素作储能介质，在充放电过程中伴随储能介质的化学反应或者变化。电极上的活性材料被氧化并失去电子；电子向相反一极流动，并与活性材料相结合，发生还原反应。电化学储能电源主要包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等，目前以锂电池和铅蓄电池为主。

锂离子电池储能示意图铅酸电池储能示意图6.4无线电能传输

无线电能传输分类无线电能传输（WirelessPowerTransfer，WPT）是一种新型输电方式，它通过电磁效应或者能量交换，实现不需要电气连接就能将电能进行传输。相比于有线电力传输，它不具备线路老化、尖端放电等弊端，在海底、深山等特殊环境得到应用根据无线电能传输原理不同，可分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式和超声波等方式。

电动汽车无线充电磁耦合谐振式系统基本结构示意图6.4无线电能传输电场耦合式无线电能传输是将电源、负载两侧的金属平板看作电容，然后再利用电容中的电场进行无线电能传输，该技术对人体磁场产生危害较大。磁耦合式无线电能传输可分为感应式和谐振式。感应式只有较短的范围内，实现电能高效率的传输。而磁耦合式利用谐振原理，能在中等距离的范围内实现大功率电能高效传送，还不被附近非磁物体影响，与辐射式相比对周围环境影响较小，并且传输功率较大；与感应式相比又能进行较远距离的电能无线传输。感应式无线电能传输谐振式无线电能传输6.5超导电力技术超导是超导电性的简称，是将某些特殊材料的工作温度下降至某一水平时，该材料的电阻突然趋近于零的现象，这种特殊的材料就被称为超导体（superconductor）。1911年，荷兰物理学家卡末林•昂纳斯（KamerlinghOnnes）用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（-268.95℃）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。1993年法国科学家发现了135K(即-138.15℃)的汞钡钙铜氧高温超导体。高温超导(HTS)现象和高温超导材料自上世纪末被发现后，对高温超导的机理和高温超导的应用研究进入到了新的阶段。高温超导技术已成为二十一世纪重点研究和发展的电工新技术。6.5超导电力技术

超导材料特性零电阻现象

当超导材料冷却到一定温度以下，其电阻会突然变为零。图中的Rn为起始电阻值，对应的温度被称为起始温度Ts；当Rn减小至一半时，所对应的温度就被称为中点温度Tm；当电阻趋向于零时，所对应的温度被称为零电阻温度T0。

超导材料的R-T关系曲线6.5超导电力技术

超导材料特性迈斯纳效应

当处于磁场中的超导材料冷却到超导态时，存在于超导体内部的磁力线会突然被排斥到超导体之外，超导体内部磁感应强度变成零，超导体表面流过抗磁电流产生反向磁场将外磁场抵消，此时的超导体是完全抗磁体。超导材料处于正常态还是处于超导态是由超导材料临界温度Tc和超导材料临界磁场Hc这两个因素所决定。

迈斯纳效应示意图6.5超导电力技术

超导材料特性约瑟夫森效应

将一块厚度极小的绝缘体放置两个超导体之间时，而超导体内部的超导电子竟能通过这块绝缘体，这种现象就称为约瑟夫森效应。1962年，英国物理学家约瑟夫森（B.Josephson）在实验中发现，森首次预测了超导状态下库柏对的隧穿现象，也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森效应示意图6.5超导电力技术

超导电力技术应用高温超导电缆、高温超导故障限流器和高温超导变压器是高温超导电力应用的主要方向。

高温超导电力应用方向6.5超导电力技术

超导电力技术应用高温超导电缆

从内到外依次是电缆骨架（充液氮）、超导体层、热绝缘层、常规电气绝缘层。

高温超导电缆结构图上海首条公里级超导电缆6.5超导电力技术

超导电力技术应用高温超导限流器

当超导体中的传导电流大于其临界电流时，即I>Ic时，超导体将会从零电阻的超导态转变为高电阻正常态。随着超导体的电阻值升高，电力系统中的回路电流值将大大降低。电力系统正常时，它不会产生任何作用，当电力系统发生短路后，它的阻抗就会迅速变大以限制电力系统中的短路电流。

220kV/800A超导故障电流限制器超导体的无阻载流特性6.5超导电力技术

超导电力技术应用高温超导变压器

用超导线圈取代常规变压器的金属线圈，然后为高温超导线材充入液氮，创造低温环境使其正常工作，高温超导变压器与传统变压器最大的不同在于线圈结构和冷却系统，金属线圈改变为超导线圈，冷却介质从变压器油或空气改变为液氮。

高温超导变压器6.6磁悬浮技术磁悬浮技术实质上就是利用自然界两磁体之间“同性相斥，异性相吸”的特点，使其中的磁体能抵抗地球的引力，以达到与地面无接触式悬浮状态。磁悬浮系统主要是由悬浮体、位置传感器、控制器、执行器组成，执行器又主要由电磁铁和功率放大器组成。磁悬浮原理图6.6磁悬浮技术磁悬浮系统正常运行时没有与地面进行机械接触，因此具有以下优点：①耐用性好、无污染，可长期应用于真空环境和化学腐蚀性介质环境；②无机械摩擦、噪音小、效率高，能处理高速机械工作时所产生的润滑和能耗问题。磁悬浮技术在高速交通工具的设计中得以广泛运用。磁悬浮列车是利用电磁力将列车车厢悬浮于空中并通过线性电机对其进行驱动导向，使列车车厢不与地面直接接触，从而解决了传统高速列车能耗高、噪声大等缺点。6.6磁悬浮技术磁悬浮系统又被分为电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。1)电磁悬浮系统利用列车底部的磁铁和铁磁轨道的极性相同产生排斥，使列车车厢悬浮运行；2)电力悬浮系统将磁体放入移动列车上，从而在铁轨上产生电流，电流在移动磁场中产生电磁力，为列车提供稳定支撑。

（a）电磁悬浮系统（EMS）

（b）电力悬浮系统（EDS）超导型磁悬浮列车原理6.7脉冲功率技术脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它主要研究于在较长时间内将系统能量进行存储，通过一系列特殊过程将能量进行压缩变换，最后在极短的时间内释放给负载；所以脉冲功率技术具有高脉冲功率，短脉冲持续时间和高电压大电流的技术特征。脉冲功率系统组成框图6.7脉冲功率技术常用储能方式比较

关键技术初始能源的储能技术：目前主要有三种方法对脉冲功率系统初始能源进行储存，将能源以电场形式储存的电容器、将能源以磁场方式储能的电感器、机械储能装置，其中电感储能还分为常规电感和超导电感。

6.7脉冲功率技术

关键技术脉冲压缩成形技术：脉冲成形系统是利用脉冲变压器，在短时间内对能量进行压缩，使系统输出的功率脉冲产生变化，以达到负载所需要的脉冲功率值和脉冲波形。目前为止，脉冲功率装置一般采用的是Blumlein传输技术、磁脉冲压缩技术和Marx发生器等产生高功率脉冲。脉冲开关技术：脉冲开关是系统中最为关键的部件，开关性能的好坏直接会对脉冲功率装置的性能产生十分严重的影响。在脉冲功率装置中，开关能将脉冲功率系统中的充电回路和放电回路进行隔离，确保充放电的顺利进行；其次，当充电完成后，通过开关闭合，系统迅速开始放电，保证储能系统中的能量在极短的时间内向负载输出；也可以通过控制开关得到所需要的脉冲波形。

6.7脉冲功率技术

脉冲功率技术应用脉冲功率技术在工业交通、环境保护、高能物理、生物医疗、民用设备等各种领域得到广泛的应用，如核聚变、粒子加速器、激光、脉冲强磁场、机械加工、材料处理、环境工程等。除此之外，脉冲功率技术在军事国防领域中也极为重要，一些以脉冲功率技术为核心的新型武器装备，如电磁发射武器、高能激光武器以及电磁弹射装置等有望成为未来的重要攻击力量。

脉冲电流发生器6.7脉冲功率技术

脉冲功率技术应用脉冲功率技术在工业交通、环境保护、高能物理、生物医疗、民用设备等各种领域得到广泛的应用，如核聚变、粒子加速器、激光、脉冲强磁场、机械加工、材料处理、环境工程等。除此之外，脉冲功率技术在军事国防领域中也极为重要，一些以脉冲功率技术为核心的新型武器装备，如电磁发射武器、高能激光武器以及电磁弹射装置等有望成为未来的重要攻击力量。

电磁轨道弹射6.7脉冲功率技术

脉冲功率技术应用脉冲功率技术在工业交通、环境保护、高能物理、生物医疗、民用设备等各种领域得到广泛的应用，如核聚变、粒子加速器、激光、脉冲强磁场、机械加工、材料处理、环境工程等。除此之外，脉冲功率技术在军事国防领域中也极为重要，一些以脉冲功率技术为核心的新型武器装备，如电磁发射武器、高能激光武器以及电磁弹射装置等有望成为未来的重要攻击力量。

电磁轨道炮原理6.8生物电磁学生物电磁学（Bioelectromagnetism）是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统相互作用规律及其应用的交叉学科，主要涉及电磁场与微波技术和生物学，是一门与生物医学、环境科学密切相关的新兴学科。电磁场的生物效应主要分为热效应、非热效应和累积效应三种。常见电磁波频段的频率范围表6.8生物电磁学

电磁场的生物效应生物热效应：在高频电磁场的作用下，受电脑、手机、微波炉等设备产生电磁辐射的影响，生物体内会随之产生热效应。由于电磁波是直接对生物体的内部组织进行加热，生物体表面不会发生变化，而体内组织细胞却因温度升高受损。生物非热效应：低频电磁场主要产生的是生物非热效应，它会对生物体本身所拥有弱电磁场进行干扰，对体内组织细胞的功能产生破坏。累积效应：当生物热效应和生物非热效应对人体组织细胞造成损害后，如果体内组织细胞还未完全恢复好就再次受到电磁辐射的影响，它的受损就会加以累积。

6.8生物电磁学

电磁场的生物效应微波杀菌技术是最近才出现的辐射灭菌技术，微波杀菌就是利用微生物吸收微波能量后产生生物热效应和生物非热效应使细菌死亡。

微波杀菌流程图微波炉6.9微机电系统微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）是将微电子技术和精密机械加工技术进行融合，实现了微电子机械一体化的系统。涉及到了微机械学、微电子学、自动控制、物理、材料科学的研究领域。世界上第一个微静电马达1959年就有科学家提出微型机械的设想；1962年出现硅微型压力传感器；1987年由加州大学伯克利分校研制出了转子直径60和100的硅微型静电电机。6.9微机电系统微机电系统组成主要包含三大类：微型传感器、微数据处理电路和微型执行器。微机电系统组成框图6.9微机电系统

微机电系统的特征微型化：相比于常规机电系统，微机电系统器件具有尺寸小、重量轻、惯性小、谐振频率高等特点。在一个几平方厘米的芯片上，就能布置整个微机电系统。集成化：微机电系统能将不同功能传感器或执行器集成到一个小芯片上，在这个芯片上就能完成系统功能的集成，甚至是整个微机电系统的集成。材料及加工的特殊性：微机电系统大量应用厚度仅为几十纳米到几十微米的薄膜材料，当材料几何尺寸减少到微米级时，许多常规材料的理论不再适用于微材料特性。可靠性高：由于微机电系统的尺寸极小，根本不会受到热膨胀、噪音等环境因素的影响，系统工作可靠性得到了提高，以至于在恶劣的环境中都能稳定工作。

6.9微机电系统

微机电系统的应用单芯片多模式化学气体检测系统：将四种传感器——质量块传感器、热传感器、电容传感器和温度传感器，集成到一个芯片上；7×7mm单芯片多模式化学气体检测系统通过质量、热量、电容、温度的变化来检测出气体和液体中的化学成分。

单芯片多模式化学气体检测MEMS系统6.9微机电系统

微机电系统的应用医用微机电系统：生物细胞的尺寸大都在μm级别，而微机电系统的器件尺寸与生物细胞的尺寸相差无几，因此用于对生物细胞操作是十分合适的，如定向药物投放微型机器人、手术微型机器人、微型手术用内窥镜及钳子。

医用MEMS机器人1.光学前盖；2.透镜支架；3.透镜；4.发光二极管；5.图像传感器；6.电池；7.射频发射电路板；8.天线自走式胶囊内镜6.10电工新技术展望

电工新技术的发展动力进入21世纪以来，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，成为人类社会的普遍共识，世界能源发展格局因此发生重大而深刻的变化，新一轮能源革命的序幕已经拉开。发展清洁能源、保障能源安全、解决环保问题、应对气候变化，是本轮能源革命的核心内容。作为能源的重要供应环节和主要使用形式，电能