2018級(jí)電氣工程概論范瑜考試重點(diǎn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1.1電氣工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位電氣工程是與電能生產(chǎn)和應(yīng)用相關(guān)的技術(shù),同時(shí)它也是工程教育體系中的一個(gè)學(xué)科。在我國(guó)高等學(xué)校的本科專(zhuān)業(yè)目錄中,電氣工程對(duì)應(yīng)的專(zhuān)業(yè)是電氣工程及其自動(dòng)化或電氣工程與自動(dòng)化。電氣工程的理論基礎(chǔ)是電氣科學(xué)。電氣科學(xué)與電氣工程所涉及的領(lǐng)域十分寬廣,研究的內(nèi)容十分豐富,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)劃分的電氣科學(xué)與工程的領(lǐng)域和子領(lǐng)域見(jiàn)表1-1。電能是最清潔的能源,而且易于遠(yuǎn)距離傳輸和控制,所以已經(jīng)成為人類(lèi)現(xiàn)代社會(huì)最主要的能源形式。電作為一種特殊的能量存在形態(tài),在物質(zhì)、能量、信息的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程以及能量的相互轉(zhuǎn)化中起著重要的作用。由于電(或磁、電磁)本身具有極強(qiáng)的

2、可控性,大多數(shù)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程都以電(或磁、電磁)作為中間能量形態(tài)進(jìn)行調(diào)控,信息表達(dá)的交換也越來(lái)越多地采用電(或磁)這種特殊介質(zhì)來(lái)實(shí)施,因此,當(dāng)代高新技術(shù)都與電能密切相關(guān),并依賴(lài)于電能：1.4電氣工程的理論基礎(chǔ)電氣工程學(xué)科除具有其各分支學(xué)科的專(zhuān)業(yè)理論外,還具有本學(xué)科的共性基礎(chǔ)理論(電路理論、電磁場(chǎng)理論、電磁計(jì)量理論等,它與基礎(chǔ)科學(xué)(如物理、數(shù)學(xué)等)的相應(yīng)分支具有密切的聯(lián)系,但又具有明顯的差別。因?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)的主要任務(wù)是認(rèn)識(shí)客觀(guān)世界的本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律,而技術(shù)科學(xué)的目的則在于改造客觀(guān)世界以達(dá)到人們的預(yù)定要求。在分析與計(jì)算電路時(shí),通常這樣規(guī)定電流、電壓和電動(dòng)勢(shì)的方向:電流的方向規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)

3、電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向電壓的方向規(guī)定為由高電位端指向低電位瑞,即為電位降低的方向;電源電動(dòng)勢(shì)的方向規(guī)定為在電源內(nèi)部?jī)?nèi)低電位端指向高電位端,即為電位升高的方向。上述規(guī)定的方向,通常作為它們的實(shí)際方向。二、歐姆定律歐姆定律在物理課中早就學(xué)過(guò),它是電路的基本定律之一,但在電路理論中處理這個(gè)定律時(shí)并不是簡(jiǎn)單重復(fù)過(guò)去所講的內(nèi)容,而是通過(guò)它進(jìn)一步加深對(duì)電壓、電流正方向的理解。要注意兩點(diǎn)：第一,應(yīng)用歐姆定律列式子時(shí),首先要在電路圖上標(biāo)出電流、電壓或電動(dòng)勢(shì)的正方向,當(dāng)電壓和電流的正方向選得相反時(shí),表達(dá)式須帶負(fù)號(hào);第二,在正方向選定之后,電壓和電流本身有正值或負(fù)值。所以這里有兩套正、負(fù)號(hào)。如圖1-22與圖1-23所

4、示。三、基爾霍夫定律（1）基爾霍夫電流定律,I=0反映了匯合到電路中任一結(jié)點(diǎn)的各支路電流間相互制約的關(guān)系。其實(shí)質(zhì)是電流連續(xù)性。即在任何一個(gè)無(wú)限小的時(shí)間間隔內(nèi),流向結(jié)點(diǎn)的電荷必然等于流出的電荷,在結(jié)點(diǎn)上不能聚集電荷。(2)基爾霍夫電壓定律,U=0反映了一個(gè)回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系,其實(shí)質(zhì)是電位單值性原理,即在任一瞬時(shí),從回路中任意一點(diǎn)出發(fā),沿回路繞行一周,電位升之和必然等于電位降之和,回到出發(fā)點(diǎn)時(shí),該點(diǎn)的電位不會(huì)發(fā)生變化。2.1.1電機(jī)的作用電機(jī)是以電磁感應(yīng)現(xiàn)象為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換以及變換電能的機(jī)械，包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器兩大類(lèi)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置,主要用作發(fā)電機(jī),把機(jī)械

5、能轉(zhuǎn)變成電能;或作為電動(dòng)機(jī),把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。有的電機(jī)還用作調(diào)相機(jī),用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外,還有微特電機(jī),廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。變壓器是各部件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電能變換裝置,廣泛應(yīng)用于電能傳輸,電壓、電流、阻抗的變換和電路隔離。電機(jī)的主要作用表現(xiàn)在三個(gè)方面：1.電能的生產(chǎn)、傳輸和分配在發(fā)電廠(chǎng)中,發(fā)電機(jī)由汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)或水輪機(jī)帶動(dòng)。發(fā)電機(jī)將燃料燃燒、原子核裂變的能量或水的位能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能傳給發(fā)電機(jī),在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)換成電能,然后用變壓器升高電壓,通過(guò)輸電線(xiàn)把電能送到用電地區(qū),再經(jīng)變壓器降低電壓,供用戶(hù)使用。2.驅(qū)動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械和裝備在工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防等部門(mén)和生活設(shè)施中,極為

6、廣泛地應(yīng)用各種電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械、設(shè)備和器具。例如,機(jī)床驅(qū)動(dòng)、電力排灌、農(nóng)副產(chǎn)品加工、礦石采掘和輸送、電車(chē)和電力機(jī)車(chē)的牽引、抽水、鼓風(fēng)、起吊、軋鋼、造紙、醫(yī)療設(shè)備及家用電器的運(yùn)行等一般都采用電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。3.作為各種控制系統(tǒng)和自動(dòng)化、智能化裝置的重要元件隨著工農(nóng)業(yè)和國(guó)防設(shè)施自動(dòng)化水平的日益提高,出現(xiàn)了多種多樣的控制電機(jī),它們?cè)诳刂葡到y(tǒng)、自動(dòng)化和智能化裝置(例如電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人)中分別作為執(zhí)行、檢測(cè)、放大和解算元件。這類(lèi)電機(jī)一般功率較小,但品種繁多、用途各異,例如,電梯的自動(dòng)選層與顯示,閥門(mén)遙控,火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位,飛行器的發(fā)射和姿態(tài)的控制,機(jī)床加工的自動(dòng)控制和顯示,以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、各

7、種自動(dòng)記錄儀表、音像錄放設(shè)備、醫(yī)療器械和現(xiàn)代家用電器設(shè)備等的運(yùn)行控制、檢測(cè)或者記錄顯示。2.2.1電機(jī)的分類(lèi)電機(jī)是進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置的總稱(chēng)。按照不同的角度,電機(jī)有不同的分類(lèi)方法：按照所應(yīng)用的電流種類(lèi),電機(jī)可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。按照在應(yīng)用中的功能來(lái)分,電機(jī)可以分為下列各類(lèi)。1)將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率發(fā)電機(jī)。2)將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率電動(dòng)機(jī)。3)將電功率轉(zhuǎn)換為另一種形式的電功率,又可分為:輸出和輸入有不同的電壓變壓器。輸出與輸入有不同的波形,如將交流變?yōu)橹绷髯兞鳈C(jī)。輸出與輸入有不同的頻率變頻機(jī)。輸出與輸入有不同的相位移相機(jī)。(4)在機(jī)電系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)、放大和控制作用的電機(jī)

8、控制電機(jī)。按運(yùn)行速度，電機(jī)又可以分為：(1)靜止設(shè)備變壓器。(2)沒(méi)有固定的同步速度直流電機(jī)。(3)轉(zhuǎn)子速度永遠(yuǎn)與同步速度有差異異步電機(jī)。(4)速度等于同步速度同步電機(jī)。(5)速度可以在寬廣范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)交流換向器電機(jī)。按功率大小,又可以分為大型電機(jī)、中小型電機(jī)和微型電機(jī)。隨著電力電子技術(shù)和電工材料的發(fā)展,出現(xiàn)了其他一些特殊電機(jī),它們并不屬于上述傳統(tǒng)的電機(jī)類(lèi)型,包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、超聲波電機(jī)等,這些電機(jī)通常被稱(chēng)為特種電機(jī)。2.2.4變壓器變壓器是一種靜止電機(jī)其主要組成部分是鐵心和繞組。為了改善散熱條件,大、中容量的電力變壓器的鐵心和繞組浸入在盛滿(mǎn)變壓器油的封閉油箱中,各繞組

9、對(duì)外線(xiàn)路的連接由絕緣套管引出。為了使變壓器安全可靠地運(yùn)行,還設(shè)有儲(chǔ)油柜、安全氣道、氣體繼電器等附件。圖2-4所示是一臺(tái)正在運(yùn)行的三相油浸式電力變壓器。變壓器主體是鐵心及套在鐵心上的繞組,圖2-5所示為三相變壓器的鐵心與繞組。把接交流電源的繞組設(shè)定為一次繞組,其匝數(shù)用字母N1表示;把接負(fù)載的繞組設(shè)定為二次繞組,其匝數(shù)用字母N2表示。當(dāng)一次繞組接通交流電源時(shí),二次繞組接的電燈就會(huì)發(fā)光。這可以根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)說(shuō)明：2.2.5 特種電機(jī)三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( Stepping Motor)把電脈沖信號(hào)變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),在自動(dòng)控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步

10、,故又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻脈沖信號(hào)源、脈沖分配器及脈沖放大器組成,由此驅(qū)動(dòng)電源向電動(dòng)機(jī)繞組提供脈沖電流。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能取決于電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源間的良好配合。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為機(jī)電式及磁電式兩種基本類(lèi)型。機(jī)電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由鐵心、線(xiàn)圈、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。螺線(xiàn)管線(xiàn)圈通電時(shí)將產(chǎn)生磁力,推動(dòng)其鐵心心子運(yùn)動(dòng),通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一角度,通過(guò)抗旋轉(zhuǎn)齒輪使輸出轉(zhuǎn)軸保持在新的工作位置;線(xiàn)圈再通電,轉(zhuǎn)軸又轉(zhuǎn)動(dòng)一角度,依次進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。磁電式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有永磁式、反應(yīng)式和永磁感應(yīng)子式三種形式。圖2-8所示為各

11、種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。四、超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)電機(jī)在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理上與普通電機(jī)沒(méi)有什么不同,只是其繞組采用超導(dǎo)材料,可以大大減小體積、節(jié)約能源。由于實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)需要制冷設(shè)備,所以結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,因此一般僅用于大型發(fā)電機(jī)或者電動(dòng)機(jī)(如萬(wàn)噸巨輪的推進(jìn))。圖2-9所示是一臺(tái)艦船用超導(dǎo)直流電動(dòng)機(jī)。五、超聲波壓電電動(dòng)機(jī)超聲波壓電電動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種全新概念的新型驅(qū)動(dòng)裝置,它沒(méi)有磁場(chǎng)與繞組,與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)原理完全不同。它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)換為彈性體的超聲振動(dòng),并將摩擦傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行速度低、出力大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn),而且不受環(huán)境磁場(chǎng)的

12、影響,可以應(yīng)用于生物生命科學(xué)、光學(xué)儀器、高精密機(jī)械等領(lǐng)域。圖2-10所示是一個(gè)微型超聲波壓電電動(dòng)機(jī)。2.3電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域2.3.1電力工業(yè)一、汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)用于火力發(fā)電廠(chǎng)和核電廠(chǎng),是同步電機(jī)的一種。由于原動(dòng)機(jī)（汽輪機(jī))轉(zhuǎn)速很高.一般為3000r/min,因此汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng),以減小線(xiàn)速度。圖2-11所示是一臺(tái)國(guó)產(chǎn)60萬(wàn)千瓦汽輪發(fā)電機(jī)正在安裝轉(zhuǎn)子。目前世界上最大的汽輪發(fā)電機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)千瓦。二、水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)用于水力發(fā)電廠(chǎng),也是同步電機(jī)的一種。由于原動(dòng)機(jī)(水輪機(jī))轉(zhuǎn)速較低,一般為幾百轉(zhuǎn)/分以下,因此水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子粗而短,以增加極數(shù)。圖2-12所示是在三峽電站安裝的水輪

13、發(fā)電機(jī),三峽機(jī)組是目前世界上最大的水輪發(fā)電機(jī)組,功率達(dá)70萬(wàn)千瓦。三峽電站總裝機(jī)26臺(tái),單機(jī)容量70萬(wàn)千瓦。三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電就是通過(guò)捕風(fēng)裝置的葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。風(fēng)能是最廉價(jià)、最清潔、最有開(kāi)發(fā)價(jià)值的新能源。近十幾年來(lái),我國(guó)政府加快了風(fēng)電的開(kāi)發(fā),還引進(jìn)了國(guó)外生產(chǎn)的、技術(shù)先進(jìn)的大型風(fēng)力機(jī),組建風(fēng)電場(chǎng),促進(jìn)了我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展。按裝機(jī)容量分,風(fēng)力發(fā)電機(jī)有小型、中型、大型、特大型系列。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量為0.1-1kW,中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為1-100kW,大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為100-1000kW,特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為1000kW以上。幾乎所有類(lèi)型的發(fā)電機(jī)都用到風(fēng)力發(fā)電中,最

14、常見(jiàn)的有同步、異步、直流和永磁發(fā)電機(jī)。最近,國(guó)外特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用永磁外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)的較多。2.7電器的分類(lèi)電器按功能分為：（1）用于接通和分?jǐn)嚯娐返碾娖?主要有刀開(kāi)關(guān)、接觸器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等。（2）用于控制電路的電器 主要有電磁起動(dòng)器、星-三角起動(dòng)器、自耦減壓起動(dòng)器、頻敏起動(dòng)器、變阻器、控制繼電器等(用于電機(jī)的各種起動(dòng)器正越來(lái)越多地被電力電子裝置所取代)（3）用于切換電路的電器 主要有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、主令電器等。（4）用于檢測(cè)電路系數(shù)的電器 主要有互感器、傳感器等。 (5)用于保護(hù)電路的電器 主要有熔斷器、斷路器、限流電抗器、避雷器等。電器按工作電壓可分為高壓電器和低壓電器兩類(lèi)

15、。在我國(guó),工作交流電壓在1000V及以下,直流電壓在1500y及以下的屬于低壓電器;工作交流電壓在1000以上,直流電壓在1500V以上的屬于高壓電器。下面主要按電壓的分類(lèi)介紹電力系統(tǒng)中的高壓電器和低壓電器的基本結(jié)構(gòu)與作用。2.8.2互感器互感器是電力系統(tǒng)中供測(cè)量和保護(hù)用的設(shè)備,分為電壓互感器和電流互感器兩大類(lèi)。互感器的作用是:（1）向測(cè)量、保護(hù)和控制裝置傳遞信息。（2）使測(cè)量、保護(hù)和控制裝置與高電壓之間隔離。（3）有利于儀器、儀表和保護(hù)、控制裝置小型化、標(biāo)準(zhǔn)化。常用的電流互感器是按電磁變換原理工作的,結(jié)構(gòu)與變壓器相同,稱(chēng)為電磁式電流互感器。而電壓互感器除了電磁式以外,還有電容式的。圖2-43

16、所示是正在對(duì)我國(guó)三峽左岸電站的高壓電壓互感器進(jìn)行介質(zhì)損耗試驗(yàn)。3.1電力系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史3.1.1電力工業(yè)簡(jiǎn)介自然界存在著大量可直接利用的能源,可直接提供熱、光、動(dòng)力等,這樣的能源稱(chēng)一次能源主要包括植物能源(柴草等)、礦物能源(煤、油、天然氣等)、可再生能源(水、風(fēng)、潮汐、地?zé)?、太?yáng)能等)及核能(核裂變、核聚變)。由一種或多種一次能源經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換或加工得到的能源產(chǎn)品,稱(chēng)為能二次能源。二次能源更具優(yōu)越性，其利用效率高清潔、方便。電能是一種被極其廣泛地應(yīng)用的二次能源。電能可以方便地轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、光能等其他形式的能量供人們使用。電能的生產(chǎn)和使用具有其他形式能源不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它轉(zhuǎn)換容易、便于遠(yuǎn)距離輸送,能靈

17、活、方便地進(jìn)行控制,生產(chǎn)成本低,電能應(yīng)用對(duì)環(huán)境不構(gòu)成污染等。因此,電能已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。電力工業(yè)是生產(chǎn)和銷(xiāo)售電能的行業(yè)。電力工業(yè)的任務(wù)是為社會(huì)提供能源,即向用戶(hù)提供安全、可靠、方便、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的電能。它是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一種公用事業(yè),是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中的重點(diǎn)和先行產(chǎn)業(yè)。電力工業(yè)必須優(yōu)先于其他工業(yè)部門(mén)的發(fā)展而發(fā)展，其建設(shè)和發(fā)展的速度必須適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)速度,只有這樣,國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)才能夠快速而穩(wěn)定地發(fā)展,這是社會(huì)的進(jìn)步、綜合國(guó)力的增強(qiáng)及人民物質(zhì)文化生活現(xiàn)代化的需要。電力工業(yè)的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)有：(1)發(fā)電 利

18、用各種能源資源,生產(chǎn)電能。發(fā)電過(guò)程是各種不同形式的能源轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。根據(jù)一次能源的不同,工業(yè)電站(電廠(chǎng))的類(lèi)型有:水力、火力、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、抽水蓄能、潮汐、波浪、地?zé)?、海洋溫差、沼氣、垃圾、燃料電池、蓄電池等電站。目前世界上的絕大多數(shù)電能是由前三種電站提供的。(2)輸電 電力的輸送。是從發(fā)電廠(chǎng)(站)或發(fā)電中心向消費(fèi)電能地區(qū)輸送大量電力,或在不同電力網(wǎng)之間輸送大量電力。由220kV及以上電壓等級(jí)的電力線(xiàn)路及變電站構(gòu)成的電力網(wǎng)絡(luò)完成。(3)變電 電壓等級(jí)的變換。是在變電站內(nèi),由變壓器將某個(gè)電壓等級(jí)變換至不同的電壓等級(jí)。(4)配電 電能的分配供給。是在消費(fèi)電能地區(qū)內(nèi),將電能分配至用戶(hù),并直

19、接為用戶(hù)服務(wù)。根據(jù)電壓等級(jí)的不同分為高壓配電(35-110kV)、中壓配電(1-35kV)和低壓配電(1kV以下,如380/220V)。由相應(yīng)電壓等級(jí)的配電線(xiàn)路(饋線(xiàn))及配電變電站或變壓器構(gòu)成的配電網(wǎng)絡(luò)完成。(5)用電 電能消費(fèi)。社會(huì)上應(yīng)用的電能是由一次能源加工轉(zhuǎn)換得來(lái)的,送到用戶(hù)后又借助各種能量轉(zhuǎn)換裝置(用電設(shè)備)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、熱能、光能、化學(xué)能等,以滿(mǎn)足社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、文化和人民生活的需要。用于輸電、變電、配電的線(xiàn)路、變電站組成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為輸配電網(wǎng)絡(luò)或電力網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)稱(chēng)電網(wǎng)。輸配電網(wǎng)再加上發(fā)電廠(chǎng)(站)電力用戶(hù)就構(gòu)成了電力系統(tǒng)。電力工業(yè)還包括以下環(huán)節(jié):規(guī)劃、勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度、維護(hù)改造、

20、安全監(jiān)察、科研開(kāi)發(fā)、設(shè)備制造、教育培訓(xùn)、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、電力營(yíng)銷(xiāo)(電力市場(chǎng))等。3.2.1電力系統(tǒng)的功能與作用電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備和相應(yīng)的輔助系統(tǒng),按規(guī)定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求組成的一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的基本任務(wù)是安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)、輸送與分配電能,滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的需要。一個(gè)現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由極寬闊的地域內(nèi)的大量電力設(shè)備互聯(lián)在一起形成的。如我國(guó)就有華東、東北、華北、華中、川渝、西北、南方四省等區(qū)域電網(wǎng)和部分省網(wǎng),規(guī)劃到2015年實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性表現(xiàn)在:能更經(jīng)濟(jì)合理地開(kāi)發(fā)利用各種一次能源,能解決能源資源與負(fù)荷分布地區(qū)間的不平衡問(wèn)題;可以錯(cuò)開(kāi)用電高峰低谷,

21、減少裝機(jī)和備用;有利于采用標(biāo)準(zhǔn)化大型設(shè)備,節(jié)省投資和提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;便于故障時(shí)相互支援,提高運(yùn)行安全性;便于集中管理,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和電力合理分配。發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備稱(chēng)為電力主設(shè)備,主要有發(fā)電機(jī)、變壓器、架空線(xiàn)路、電纜、斷路器、母線(xiàn)、電動(dòng)機(jī)、照明設(shè)備、電熱設(shè)備等。由主設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為主系統(tǒng),也稱(chēng)一次系統(tǒng)。測(cè)量、監(jiān)視、控制、繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、通信,以及各種自動(dòng)化系統(tǒng)等用于保證主系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、正常運(yùn)行的設(shè)備稱(chēng)二次設(shè)備。二次設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為輔助系統(tǒng),也稱(chēng)為二次系統(tǒng)(因?yàn)樗鼈兘佑诨ジ衅鞯亩蝹?cè)或電力主設(shè)備的操作控制接口上）3.2.3電力資源與負(fù)荷我國(guó)用于發(fā)電的一次能源蘊(yùn)藏量較

22、為豐富,深埋在1000米以?xún)?nèi)的煤炭總資源量為2.6萬(wàn)億噸,列世界第2位;我國(guó)水力資源蘊(yùn)藏量有6.76×10*8kW,居世界首位,其中可供開(kāi)發(fā)利用的就有3.7×10*3kW,居世界首位,70%以上的水能資源集中在西南地區(qū);其他如石油、核燃料、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)岬饶茉匆草^豐富,這些都為我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展奠定了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。中國(guó)資源的分布(西部為主)中國(guó)能源的結(jié)構(gòu)(水、煤為主)、中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展格局(東部領(lǐng)先)決定了中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展格局:西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)以及人民生活用電組成電力系統(tǒng)的負(fù)荷。按供電可靠性分類(lèi),電力級(jí)荷分為三級(jí)。(1)一

23、級(jí)負(fù)荷 對(duì)一級(jí)負(fù)荷中斷供電,將可能造成生命危險(xiǎn)、損壞設(shè)備、破壞生產(chǎn)過(guò)程，使大量產(chǎn)品報(bào)廢,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失,使市政生活發(fā)生混亂。(2)二級(jí)負(fù)荷 對(duì)二級(jí)負(fù)荷停止供電,將造成大量減產(chǎn)、交通停頓,使城鎮(zhèn)居民生活受到影響等。(3)三級(jí)負(fù)荷 不屬于一、二級(jí)負(fù)荷的其他負(fù)荷。電力負(fù)荷是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、發(fā)電、送電、變電布局、布點(diǎn)的主要依據(jù)。除上述定性分類(lèi)外,近年來(lái)還開(kāi)展了以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的定量分析研究。為了有效利用資源,滿(mǎn)足電力用戶(hù)的需求,需要做好電力系統(tǒng)規(guī)劃。電力系統(tǒng)規(guī)劃的原則是:要在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃的指導(dǎo)下,對(duì)能源進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)利用,協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)、輸、變、配、用電系統(tǒng),以盡可能少的投資滿(mǎn)足用戶(hù)需

24、求,適當(dāng)安排備用以保證運(yùn)行靈活性和安全可靠性,要有足夠的抗干擾能力。由于電力建設(shè)周期較長(zhǎng),大型水電和核電廠(chǎng)8-10年,大型火電廠(chǎng)3-5年,因此需擬訂15-30年的電力系統(tǒng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃,并在其具體指導(dǎo)下,制定5-15年的中期發(fā)展規(guī)劃。前者進(jìn)行電力負(fù)荷需求預(yù)測(cè),掌握可開(kāi)發(fā)動(dòng)力資源、新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、電力系統(tǒng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的適應(yīng)性等資料,然后充分考慮原有系統(tǒng)的條件,提出電源的構(gòu)成與配置輸電網(wǎng)的電壓等級(jí)和結(jié)構(gòu),以及配電網(wǎng)的發(fā)展原則等。后者則是對(duì)規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行調(diào)研、計(jì)算、分析、方案比較,提出具體分階段的電源和電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目和進(jìn)度等。3.2.6交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)電力系統(tǒng)的電大致可分為直流電和交流電。

25、直流電的大小相對(duì)于時(shí)間是恒定的,方向也不改變。以干電池為例,它的極性(正端與負(fù)端)是不變的,因而直流電方向也不變。而交流電則與此不同,其大小及方向隨時(shí)間做周期性變化,與直流電相比,其變化比較復(fù)雜。所謂方向變化也就是表示極性的變化。若用示波器觀(guān)測(cè)直流電與交流電的波形,可得如圖3-4所示的相對(duì)于時(shí)間變化完全不同的直流電與交流電波形。電力系統(tǒng)的發(fā)展首先是從直流開(kāi)始的。為了照明的目的,原始的直流發(fā)電機(jī)連接到電力線(xiàn)路上采用110-220V直流電供給串聯(lián)的弧光路燈,供電距離在1-2km以?xún)?nèi)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展,要求增大輸送功率與輸電距離,提高輸電效率,這就要求提高輸電電壓,而發(fā)電機(jī)電壓因避免出現(xiàn)電暈不可能提得

26、很高,且直流高壓輸電與用戶(hù)低壓用電之間存在著難以克服的矛盾,使得當(dāng)時(shí)的直流輸電制遇到很大的挑戰(zhàn)。而交流輸電制卻可使用變壓器,從而簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠地解決了提高輸電電壓的問(wèn)題,使得直流輸電系統(tǒng)逐漸被新興的三相交流輸電制所代替。1885年匈牙利工程師吉里等硏究出封閉磁路的單相變壓器,由此實(shí)現(xiàn)了單相交流輸電。但由于單相交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難,不能保證增加發(fā)電廠(chǎng)的容量和擴(kuò)大電網(wǎng)的伸展長(zhǎng)度。1888年俄國(guó)工程師多利沃一多勃羅沃利斯基先后發(fā)明了三相異步電動(dòng)機(jī)、三相變壓器和三相交流制。1891年德國(guó)工程師奧斯卡拉馮·密勒主持建立了最早的三相輸電系統(tǒng)(如圖3-5所示)。由勞芬鎮(zhèn)輸電至法蘭克福,輸送距離是1

27、75km,輸送功率約為130kW。工程的建成標(biāo)志著歷史上輸電技術(shù)的重大突破,由此奠定了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的輸電模式。三相交流電的出現(xiàn)克服了原來(lái)直流供電容量小、距離短的缺點(diǎn),也比單相交流電更加經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離供電。電力不再僅僅用于照明,而且在工業(yè)、生活中也得到了廣泛應(yīng)用。為了減少線(xiàn)路輸電損耗,不斷地提高線(xiàn)路電壓。隨著電壓的提高,輸送功率和輸送距離便不斷增大。提高線(xiàn)路電壓與線(xiàn)路的絕緣有著密切的關(guān)系,隨后線(xiàn)路的絕緣成為輸電發(fā)展的制約因素。交流系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題也是一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。為徹底解決交流輸電中同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題,工程師的思想又轉(zhuǎn)向直流輸電。當(dāng)今的直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)

28、不同于早年的直流系統(tǒng),現(xiàn)代高壓直流輸電是將三相交流電通過(guò)換流站整流變成直流電,然后通過(guò)高壓直流輸電線(xiàn)路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個(gè)換流站和直流輸電線(xiàn)路組成,兩個(gè)換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接(如圖3-6所示)。即由交流發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器、高壓直流輸電線(xiàn)路及逆變器后接入受端交流系統(tǒng)。我國(guó)目前的直流輸電電壓已達(dá)到±800kV,輸送距離已超過(guò)1700km,輸送功率已超過(guò)6400MW,居世界領(lǐng)先水平。直流輸電線(xiàn)路造價(jià)低于交流輸電線(xiàn)路但換流站造價(jià)卻比交流變電站高得多。一般地,架空線(xiàn)路超過(guò)600-800km,電纜線(xiàn)路超過(guò)40-60km,直流輸電比交流輸電更經(jīng)濟(jì)。隨著高電壓

29、大容量電力電子元件及控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展,換流設(shè)備造價(jià)逐漸降低,直流輸電近年來(lái)發(fā)展較快。概而言之,輸電技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了直流傳輸一交流傳輸一交直流傳輸?shù)陌l(fā)展過(guò)程。3.2.7電力系統(tǒng)的運(yùn)行一、電力系統(tǒng)基本參量主要的電氣參量有電壓、電流、阻抗(電阻、電抗、容抗)、功率(視在功率、有功功率、無(wú)功功率）、頻率等。其中,交流系統(tǒng)由于電壓、電流是隨時(shí)間交變的,其瞬時(shí)功率(電壓u電流i的乘積ui)也是交變的(如圖3-7所示），該瞬時(shí)功率在一個(gè)周期中的平均值即為有功功率P，基本單位為瓦特（W）。四、電能質(zhì)量電能質(zhì)量是電力系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)供電的規(guī)范條件。在一個(gè)理想的交流電力系統(tǒng)中,電能是以一恒定的工業(yè)頻率(50Hz或

30、60Hz)和正弦的波形,按規(guī)定的電壓水平向用戶(hù)供電。在三相交流電力系統(tǒng)中各相電壓和電流應(yīng)該是幅值相等,相位差120度的對(duì)稱(chēng)狀態(tài)(如圖3-10所示)所以電能質(zhì)量一般用頻率、電壓、aaaaa波形三相電壓和電流的不對(duì)稱(chēng)度來(lái)衡量。電力系統(tǒng)中各種發(fā)、輸、變、配電設(shè)備和用電設(shè)備一般都是按額定工業(yè)頻率和各種電壓等級(jí)的額定電壓來(lái)設(shè)計(jì)的,在這種條件下,電氣設(shè)備的運(yùn)行性能最佳、效率最高。任何頻率和電壓對(duì)額定值的偏移都將影響這些設(shè)備的運(yùn)行性能和效率,同時(shí)也會(huì)縮短各種設(shè)備的壽命。所以,各國(guó)電力系統(tǒng)為了保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行,都規(guī)定了相應(yīng)的頻率和電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。理想的電壓波形是正弦波。但由于各種非線(xiàn)性負(fù)荷、設(shè)備的接入,使

31、電壓和電流波形發(fā)生畸變,出現(xiàn)各次諧波。在三相交流電力系統(tǒng)中,大容量單相負(fù)荷的出現(xiàn)、單相負(fù)荷在三相系統(tǒng)中分布的不均勻性、單相負(fù)荷投入斷開(kāi)的隨機(jī)性,以及電力系統(tǒng)各相元件阻抗的不等,都會(huì)使對(duì)稱(chēng)的三相系統(tǒng)變得不對(duì)稱(chēng)。電力系統(tǒng)中的諧波和三相電流、電壓的不對(duì)稱(chēng)都將影響各種電力設(shè)備和通信線(xiàn)路的正常運(yùn)行性能,所以各國(guó)及各電力系統(tǒng)也都擬訂了管理電力系統(tǒng)諧波的規(guī)定和電力系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)度的標(biāo)準(zhǔn)。另外,電力系統(tǒng)頻率的波動(dòng),電壓的波動(dòng)和閃變(波動(dòng)的幅值和頻率),直流輸電系統(tǒng)中的電壓脈動(dòng),供電的連續(xù)性(年不停電時(shí)間)、可靠性等也都是考核電能質(zhì)量的指標(biāo)。3.3.5新能源發(fā)電目前,世界上除了以利用燃料的化學(xué)能、水的位能、核燃料的

32、裂變和聚合能為生產(chǎn)電能的主要方式外,利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)帷⒊毕?、波浪、海洋溫差、沼氣、垃圾、燃料電池等能源生產(chǎn)電能也在不斷地研究、應(yīng)用中發(fā)展。我國(guó)可供利用的這類(lèi)資源也很豐富。一、太陽(yáng)能發(fā)電利用太陽(yáng)光能或太陽(yáng)熱能來(lái)生產(chǎn)電能就是太陽(yáng)能發(fā)電。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件如光電池等將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式,也廣泛用于宇航裝置、人造地球衛(wèi)星上。利用太陽(yáng)熱能發(fā)電,有直接熱電轉(zhuǎn)換和間接熱電轉(zhuǎn)換兩種形式。溫差發(fā)電、熱離子和磁流體發(fā)電等,屬于直接轉(zhuǎn)換方式發(fā)電。將太陽(yáng)能集中或分散地聚集起來(lái),通過(guò)熱交換器將水變?yōu)檎羝?qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電,是間接轉(zhuǎn)換方式發(fā)電(如圖3-15所示)太陽(yáng)能是取之不盡、用之不完的廉價(jià)能源,利用

33、太陽(yáng)能發(fā)電,不用任何燃料,生產(chǎn)成本低,無(wú)污染現(xiàn)象發(fā)生。目前,世界各國(guó)在太陽(yáng)發(fā)電設(shè)備制造及實(shí)用性等方面的研究也取得了很大的進(jìn)展，在全球，太陽(yáng)能發(fā)電將具有廣闊的發(fā)展前景。3.4.6電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制常見(jiàn)的故障有:1單相接地;兩相接地短路;兩相短路;三相短路;斷線(xiàn)等。系統(tǒng)故障可能造成的后果是：(1)短路故障點(diǎn)強(qiáng)大的短路電流及燃起的電弧,可能損毀設(shè)備。(2)電力系統(tǒng)部分區(qū)域電能質(zhì)量下降,如電壓大幅度降低,影響用戶(hù)的正常生產(chǎn)工作。(3)短路電流所通過(guò)設(shè)備因熱效應(yīng)和電動(dòng)力而損壞或縮短了壽命。(4)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞,產(chǎn)生振動(dòng)，甚至引起系統(tǒng)瓦解。3.6.7 分布式發(fā)電系統(tǒng)集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和太電網(wǎng)互聯(lián)

34、的電力系統(tǒng)是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式,正在為全世界90%以上的電力負(fù)荷供電。但這種方式也存在一些弊端,主要有:不能靈活跟蹤負(fù)荷的變化;局部事故極易擴(kuò)散和導(dǎo)致大面積的停電;輸電線(xiàn)路產(chǎn)生的電磁影響使開(kāi)辟新的線(xiàn)路走廊越來(lái)越困難。分布式發(fā)電( Distributed Generation)系統(tǒng)是指功率為數(shù)千瓦至50MW的小型、模塊式與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源。這些電源由電力部門(mén)、電力用戶(hù)或第三方所有,用以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)和用戶(hù)特定的要求,如調(diào)峰、為邊遠(yuǎn)用戶(hù)或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電,節(jié)省輸變電投資、提高供電可靠性等等。隨著電力體制改革的發(fā)展,分布式發(fā)電也可為一些用戶(hù)提供一種自主的選擇,使其更能適應(yīng)電力市場(chǎng)。

35、通過(guò)分布式發(fā)電和集中供電系統(tǒng)的配合應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn):(1)分布式發(fā)電系統(tǒng)中各電站相互獨(dú)立,用戶(hù)由于可以自行控制,不會(huì)發(fā)生大規(guī)模停電事故,所以安全可靠性比較高。(2)分布式發(fā)電可以彌補(bǔ)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的不足,在意外災(zāi)害發(fā)生時(shí)繼續(xù)供電,成為集中供電方式不可缺少的重要補(bǔ)充。(3)可對(duì)區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)、發(fā)展中的中小城市或商業(yè)區(qū)的居民供電,可大大減小環(huán)保壓力。(4)分布式發(fā)電的輸配電損耗可以忽略,無(wú)需建配電站,可降低或避免附加的輸配電成本,同時(shí)土建和安裝成本低。(5)可以滿(mǎn)足特殊場(chǎng)合的需求,如移動(dòng)分散式發(fā)電車(chē)。(6)調(diào)峰性能好,操作簡(jiǎn)單,由于參與運(yùn)行的系統(tǒng)少,啟?？?/p>

36、速,便子實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。4.1.1電力電子技術(shù)的作用簡(jiǎn)單地說(shuō)，電力電子技術(shù)就息電子器件為開(kāi)關(guān),把能得到的電源（如220V50Hz交流、48V直流等)變換為所需要的電源（如15V直流、110V60Hz交流等)的一門(mén)科學(xué)應(yīng)用技術(shù)。它是電子工程、電力工程和控制工程相結(jié)合的一門(mén)技術(shù),以控制理論為基礎(chǔ)、以微電子器件或微計(jì)算機(jī)為工具、以電子開(kāi)關(guān)器件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效變換。2000年,IEEE(電氣電子工程師協(xié)會(huì),國(guó)際)終身會(huì)士、美國(guó)電力電子學(xué)會(huì)前主席 Thomas G.Wilson總結(jié)了電力電子技術(shù)半個(gè)多世的發(fā)展，給出了一個(gè)更貼切的定義:電力電子技術(shù)是通過(guò)靜止的手段對(duì)電能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換控制和調(diào)節(jié),從而

37、把能得到的輸入電源形式變成所希望得到的輸出電源形式的科學(xué)應(yīng)用技術(shù)概括起來(lái)說(shuō),電力電子技術(shù)就是變換電源的技術(shù)。它借助于數(shù)學(xué)、軟件等各種分析工具,通過(guò)合理選擇使用電氣電子元器件和相關(guān)拓?fù)渥儞Q電路,應(yīng)用各種控制理論和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)技術(shù),高效、實(shí)用、可靠地把能得到的電源變?yōu)樗枰碾娫?以滿(mǎn)足不同的負(fù)載要求,同時(shí)以追求電源變換裝置的體積小、重量輕和成本低為目標(biāo)。電力電子技術(shù)的基本工作框圖如圖4-2所示。4.1.2電力電子技術(shù)的萌芽1948年硅晶體管發(fā)明之后,引發(fā)了電子學(xué)的第一次革命。以硅半導(dǎo)體材料制作的電子器件逐步主宰了整個(gè)世界。至今為止,無(wú)論是低電壓小電流的邏輯器件集成芯片,還是高壓大電流的電力電子器件芯

38、片,絕大多數(shù)都是以硅材料制作的。在能承受相同的反向電壓時(shí),硅晶體管PN結(jié)的正向?qū)妷航当乳l流管和引燃管等要低得多,而反向漏電流比鍺材料制作的器件要小得多。也就是說(shuō)使用硅半導(dǎo)體器件后,整流器的損耗會(huì)大大降低。因此1948年硅晶體管發(fā)明以后,把硅材料用于整流器的努力一直在進(jìn)行。繼1953年研制出100A的鍺功率二極管后,1954年研制出了硅材料的功率極管。到了20世紀(jì)50年代的末期,采用硅材料的功率二極管水量應(yīng)用于大功率的交直流變換系統(tǒng)中。由于硅二極管的低損耗高可靠性,以至于在免永的電力牽引領(lǐng)域,直流傳動(dòng)重新盛行起來(lái),出現(xiàn)了“直流牽引”時(shí)代。硅功率二極管在其他領(lǐng)域的應(yīng)用更是比比皆是。4.1.3電

39、力電子器件的發(fā)展1957年美國(guó)通用電氣公司( General Electric,GE)發(fā)明了可控硅( Silicon Controlled Rectifier，SCR）,后被國(guó)際電工學(xué)會(huì)正式命名為晶閘管( Thyristor)。晶閘管于1960年正式供應(yīng)市場(chǎng)。由于晶閘管是PNPN結(jié)構(gòu),具有更低的導(dǎo)通壓降,文是可控的器件,因此它的發(fā)明被稱(chēng)為電子學(xué)的第二次革命。從現(xiàn)代角度來(lái)理解電力電子技術(shù)的內(nèi)涵,晶閘管可以說(shuō)是第一種電力電子半導(dǎo)體器件,它開(kāi)啟了電力電子技術(shù)的新紀(jì)元。由于晶閘管在電源變換中的突出作用和眾多優(yōu)點(diǎn),它自發(fā)明以來(lái)得到迅速發(fā)展。圖4-4所示是 Powerex公司開(kāi)發(fā)的12kV/1.5kA的晶

40、閘管。到1980年,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出采用光觸發(fā)的大功率晶閘管,容量達(dá)到4000V/1500A。晶閘管加上正向電壓后,通過(guò)觸發(fā)極可選擇任何時(shí)刻控制其開(kāi)通;一旦導(dǎo)通后,觸發(fā)極便失去作用,只有當(dāng)流過(guò)晶閘管的電流為零時(shí)才能自然關(guān)斷。這不像機(jī)械開(kāi)關(guān),既可合閘控制其開(kāi)通,又可拉閘控制其關(guān)斷。既能控制開(kāi)通又能控制關(guān)斷的晶閘管于1961年由美國(guó)通用電氣公司研究成功,稱(chēng)為極可關(guān)斷晶閘管,簡(jiǎn)稱(chēng)GTO。1948發(fā)明的硅晶體管(三個(gè)極為基極、集電極、發(fā)射極)，通過(guò)控制其基極,集射極之間可以起到類(lèi)似機(jī)械開(kāi)關(guān)的作用,可以控制電路中電流的通斷。當(dāng)晶體管基射極之間不加正向電流時(shí),甚至加一定反向電壓時(shí),晶體管不導(dǎo)通,相當(dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)斷

41、開(kāi);當(dāng)晶體管基射極之間加上正向電流大于某一定值時(shí),晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通態(tài),相當(dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合導(dǎo)通。1970年,美國(guó)國(guó)際整流器公司( International rectifier,IR)開(kāi)發(fā)出500V/20A的功率晶體管。現(xiàn)在晶體管一般稱(chēng)為雙極晶體管( Bipolar Junction Transistor)，簡(jiǎn)稱(chēng)BJT。1975年,300V/400A的功率BJT問(wèn)世。由于功率晶體管的容量相對(duì)于信號(hào)用的晶體管,無(wú)論是器件耐壓還是電流通過(guò)能力都要大得多,因此,功率BJT又稱(chēng)巨型晶體管( Giant transistor,GTR)。為使功率BJT能達(dá)到高的電流通過(guò)能力,采取了一種基射極級(jí)聯(lián)的復(fù)合晶體

42、管結(jié)構(gòu),稱(chēng)為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)( Darlington),所以功率BJT也叫達(dá)林頓晶體管。4.1.4 電力電子變換技術(shù)的發(fā)展從電力電產(chǎn)變換器輸入和輸出的交直流關(guān)系來(lái)說(shuō)，通常有四種形式:AC/DC(交流到直流）-整流，DC/AC(直流到交流)-逆變,DC/DC（直流到直流)一斬波，AC/AC（交流到交流)一交流調(diào)壓或周波變換，如圖4-6所示。4.2電子技術(shù)的特點(diǎn)它是從電氣工程(EE)中3大學(xué)科領(lǐng)域（電力、控制、電子）發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型交叉學(xué)科。4.3電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容從以下8個(gè)方面介紹電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容：電力半導(dǎo)體器件;變換器電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì);控制與調(diào)節(jié);電力電子技術(shù)中的儲(chǔ)能元件;電力半導(dǎo)體器件的

43、封裝與制造;電磁干擾和電磁兼容;電機(jī)控制;電力穩(wěn)定與電能質(zhì)量控制。4.3.6電磁干擾和電磁兼容電力電子技術(shù)以控制電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)為基本工作形態(tài)?？刂茖?dǎo)通時(shí),電子開(kāi)關(guān)兩端的電壓從外加電壓值下降至接近0，流過(guò)電子開(kāi)關(guān)的電流從0上升至負(fù)載電流：控制斷開(kāi)時(shí),電子開(kāi)關(guān)兩端的電壓和流過(guò)電子開(kāi)關(guān)的電流變化反之。這說(shuō)明電力電子技術(shù)是以du/dt和di/dt方式工作的。而du/dt和di/dt就是電磁干擾的本質(zhì)。顯然,電力電子系統(tǒng)工作時(shí),就是一個(gè)大的電磁干擾源。因此,電力電子技術(shù)中研究電磁干擾和電磁兼容是其中重要內(nèi)容之一。4.7.2直流電機(jī)傳動(dòng)直流電機(jī),既可作發(fā)電機(jī)用,又可作電動(dòng)機(jī)用。通以直流電而產(chǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械

44、能的運(yùn)行方式為直流電動(dòng)機(jī)工作方式;施加轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能而發(fā)出直流電的運(yùn)行方式為直流發(fā)電機(jī)工作方式。直流電機(jī)傳動(dòng)主要是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式,即通以直流電,使電機(jī)按照要求輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)傳動(dòng)在制動(dòng)時(shí),電機(jī)可以是發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式,發(fā)出直流電,把旋轉(zhuǎn)機(jī)械能變成電能回饋到直流電網(wǎng)中。直流電機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立的磁通源,且一般情況下兩個(gè)磁通源相互正交(垂直)。一個(gè)磁通源用于建立電機(jī)主磁場(chǎng),也稱(chēng)勵(lì)磁磁通,由定子上的勵(lì)磁繞組產(chǎn)生;另一個(gè)磁通源由轉(zhuǎn)子繞組的電流產(chǎn)生。通以電流的轉(zhuǎn)子繞組在主磁場(chǎng)作用下受力,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組也稱(chēng)電樞繞組,轉(zhuǎn)子電流也稱(chēng)電樞電流。這兩個(gè)獨(dú)立的磁通源可以獨(dú)立控制,也可以某種形式的組合控制。直流傳動(dòng)

45、電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)根據(jù)供電電源是交流電源還是直流電源,分為AC/DC的整流方式和DC/DC的直流斬波方式。對(duì)于AC/DC的整流方式,電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)主要有相控方式和脈寬調(diào)制( Pulse Width Modulation,PWM)方式兩種。如圖4-29所示是二極管全波整流橋、相控整流橋和PWM整流橋三種AC/DC整流方式的電壓波形的對(duì)比。直流傳動(dòng)調(diào)速非常方便,但直流電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器給直流傳動(dòng)帶來(lái)了諸多不便和限制。首先,機(jī)械換向器和電刷的存在,給直流電機(jī)帶來(lái)了很大的維修量和維修成本。其次是機(jī)械換向器雖然損耗和功率密度不大,但是對(duì)于換向器片間電壓、換向電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格限制。一般地,直流

46、電機(jī)的最高電壓限制在1500V左右,相應(yīng)地,最大功率不超過(guò)800kW。直流電機(jī)還不能用在化學(xué)腐蝕和易于爆炸的環(huán)境中。4.7.3交流電機(jī)傳動(dòng)（參考書(shū)上內(nèi)容）5.1高電壓與絕緣技術(shù)的發(fā)展高電壓與絕緣技術(shù)是以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù),主要研究在高電壓作用下各種絕緣介質(zhì)的性能和不同類(lèi)型的放電現(xiàn)象，高電壓設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高電壓試驗(yàn)和測(cè)量的設(shè)備及方法,電力系統(tǒng)的過(guò)電壓，高電壓或大電流產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)或電磁波對(duì)環(huán)境的影響和防護(hù)措施,以及高電壓、大電流的應(yīng)用等。高電壓技術(shù)對(duì)電力工業(yè)、電工制造業(yè)以及近代物理的發(fā)展(如X射線(xiàn)裝置、粒子加速器、大功率脈沖發(fā)生器等)都有重大影響。5.2高電壓與絕緣技術(shù)的主要內(nèi)

47、容高電壓與絕緣技術(shù)學(xué)科研究高電壓的產(chǎn)生,在高電壓下絕緣介質(zhì)及其系統(tǒng)的特性，電氣設(shè)備及絕緣,電氣系統(tǒng)過(guò)電壓及其限制措施,高電壓試驗(yàn)技術(shù),電磁環(huán)境及電磁污染防護(hù),以及高電壓技術(shù)的應(yīng)用等,其主要內(nèi)容可分為四部分:各類(lèi)電介質(zhì)在高電場(chǎng)下的特性,電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù),電力系統(tǒng)過(guò)電壓與絕緣配合,高電壓技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用等。5.2.1高電壓的產(chǎn)生1、 雷電雷閃是自然界中的大氣火花放電現(xiàn)象。當(dāng)帶電的雷云之間或雷云與大之間出現(xiàn)很高的電位差時(shí),就會(huì)發(fā)生放電,放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱,通道溫度高達(dá)15000-20000度，使空氣急劇膨脹震動(dòng),發(fā)出隆隆聲響,形成雷閃(雷擊)。雷擊的電功率極大,雷電電流達(dá)100kA，云電壓達(dá)1×108V左右,功率為1010kW。但是,雷的能量所持續(xù)的時(shí)間非常短,平均電能在300KW·h左右。因此，把雷電轉(zhuǎn)化為可利用