工程學(xué)概論214080課件

電機與電器

電機與電器學(xué)科主要涉及電機、電器及其它電磁與機電裝置的理論、設(shè)計、制造、運行及控制規(guī)律。

電機是一種用來進行電能與機械能相互轉(zhuǎn)化的電磁裝置，它的運行原理建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律基礎(chǔ)上。雖然不同類型的電機具有不同的用途和性能，但是它們都是一種能量的轉(zhuǎn)換裝置，例如通過把煤、天然氣、水力、風(fēng)力等自然界中的儲能轉(zhuǎn)換成機械能后，電機再把機械能轉(zhuǎn)換為電能；反之，電機也可將電能轉(zhuǎn)換為機械能。

電機電機的作用☆能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備

發(fā)電機、電力變壓器☆各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置機械加工、電力機車、農(nóng)用收割機、抽水機、國防雷達天線、火炮控制系統(tǒng)、家用電器

按照電機的電流類型分類：

直流電機和交流電機

交流電機可以分為同步電機和異步電機。

1）同步電機——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度等于同步速度。

2）異步電機——作為電動機運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度較同步速度為??；作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度較同步速度為大。按照電機的相數(shù)分類：單相電機多相電機如單相交流電機和最常見三相電機。

引進600MW汽輪發(fā)電機

發(fā)電機國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機1）各行業(yè)廣泛使用電動機電動機2）在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用☆信息技術(shù)（雷達驅(qū)動）☆航天、航空、航海☆生物醫(yī)學(xué)工程（多種醫(yī)療設(shè)備）歷程

1833年直流電機

1885年異步電動機

1889年三相系統(tǒng)電機發(fā)展歷程及當(dāng)前狀況☆汽發(fā)：消化引進，設(shè)計600MW☆700MW水發(fā),三峽電站

500kV輸電線路以及相應(yīng)的變壓器

500kV直流輸電，西電東送運行中

400MW燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組☆引進建設(shè)

600MW核電機組我國目前實際應(yīng)用情況國內(nèi)外與電機相關(guān)的研究領(lǐng)域☆精確模型研究☆新能源技術(shù)（風(fēng)力發(fā)電，波浪發(fā)電，高速“電、熱、冷”三聯(lián)供機組）☆機電一體化(電機、電力電子與微電子結(jié)合)☆

特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）當(dāng)前研究、開發(fā)與創(chuàng)新☆

新能源技術(shù)--風(fēng)力發(fā)電波浪能電站外景

波浪能電站內(nèi)景

☆

新能源技術(shù)--波浪發(fā)電☆

特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）電磁發(fā)射技術(shù)超微電機與微型機器人技術(shù)人工心臟技術(shù)研究熱點高效電動機微特電機

風(fēng)力發(fā)電機

智能型電力電子變壓器電器廣義上：凡是電氣器具都可稱為電器。凡是對電能的生產(chǎn)、輸送、分配與應(yīng)用起控制、調(diào)節(jié)、檢測及保護等作用的電工器械。凡是根據(jù)外界指定信號和要求，自動或手動接通和斷開電路，斷續(xù)或連續(xù)地改變電路參數(shù)或狀態(tài)，以實現(xiàn)對電路或非電對象的切換、控制、檢測、保護、變換及調(diào)節(jié)的電氣設(shè)備。電器220v、380v：10kv:15-20km35kv:40-50km110kv:100km以上220kv:200-300km以上500kv、750kv、1000kv電器高壓電器：額定電壓3kv及以上低壓電器：ac1000v及以下IECdc1500v及以下國際電工委員會ac1140v（1200v）及以下dc1500v（1650v）及以下（國標(biāo)）電器發(fā)展解放后：全面仿蘇、自行設(shè)計（60年代）、更新?lián)Q代、技術(shù)引進（70-80年代）、跟蹤國外新產(chǎn)品（90年代）可通信智能化方向發(fā)展：電子化、集成化、智能化、機電一體化。傳統(tǒng)電器：高性能、高可靠、小型化、模數(shù)化、組合化、零部件通用化傳統(tǒng)電器理論范疇電磁機構(gòu)理論：電-力-運動電接觸理論電弧理論電器發(fā)熱和電動力理論繼電器繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。電磁式繼電器互感器互感器是利用變壓器的電磁感應(yīng)原理，將大電量信號轉(zhuǎn)換為小電量信號以方便測量的一種設(shè)備，分為電流互感器和電壓互感器兩種。互感器的主要用途有：（1）將大電量按一定比例變換為普通儀表可測量的小電量。通常電流互感器的二次側(cè)繞組的額定電流為1A或5A，電壓互感器二次側(cè)繞組的額定電壓為100V或50V。（2）向繼電保護裝置的測量系統(tǒng)供電，保證二次設(shè)備的正常工作和安全。（3）實現(xiàn)高電壓系統(tǒng)的隔離，保護測量人員的人身安全。（一）、電流互感器（TA）1.電流互感器的工作原理電流互感器側(cè)量接線如下圖所示。它的一次側(cè)繞組是由一匝或幾匝截面積較粗的導(dǎo)線構(gòu)成，串聯(lián)于待測電流的支路中；二次側(cè)繞組匝數(shù)較多，與阻抗很小的測量儀表、繼電器及各種自動裝置的電流繞組連接，因此電流互感器的實際運行狀態(tài)可以近似看作變壓器的短路運行。電流比等于匝數(shù)比的倒數(shù)。（二）、電壓互感器（TV）電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。1、電磁式電壓互感器（1）、工作原理電磁式電壓互感器的工作接線如圖右所示。它的一次側(cè)繞組由多匝導(dǎo)線構(gòu)成，與待測電路并聯(lián)連接；二次側(cè)繞組匝數(shù)較少，串接阻抗很大的測量儀表。電壓互感器的實際運行狀態(tài)可以近似看作變壓器的空載運行。電壓互感器的電壓比等于匝數(shù)比。（二）、電壓互感器（TV）電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。1、電磁式電壓互感器（1）、工作原理電磁式電壓互感器的工作接線如圖右所示。它的一次側(cè)繞組由多匝導(dǎo)線構(gòu)成，與待測電路并聯(lián)連接；二次側(cè)繞組匝數(shù)較少，串接阻抗很大的測量儀表。電壓互感器的實際運行狀態(tài)可以近似看作變壓器的空載運行。電壓互感器的電壓比等于匝數(shù)比。開關(guān)電器

開關(guān)電器是指用來關(guān)合和開斷電路的電器，包括：

(1）斷路器：主要用在電力網(wǎng)正常工作和發(fā)生故障時關(guān)合和開斷電路。（2）隔離開關(guān)：主要用來將高壓設(shè)備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。（3）熔斷器：用來在電路發(fā)生故障或短路時依靠熔件的熔斷來開斷電路。（4）低壓控制電器：用于接通和分斷低壓交、直流的控制電路。

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的高壓開關(guān)電器，不但要用于關(guān)合開斷正常線路工作，更主要是用來在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時自動地切斷短路電流。

高壓斷路器根據(jù)滅弧介質(zhì)及作用原理可分為：油斷路器、真空斷路器、壓縮空氣斷路器和SF6斷路器。近年來真空斷路器和SF6斷路器得到快速發(fā)展開關(guān)電器的技術(shù)參數(shù)開關(guān)電器的性能由開關(guān)電器的各種技術(shù)參數(shù)表示。其主要技術(shù)參數(shù)如下:1．額定電壓額定電壓是指開關(guān)電器設(shè)計時所采用的標(biāo)稱電壓。所謂標(biāo)稱電壓是指我國國家標(biāo)準(zhǔn)中列入的電壓等級。按我國標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓1200V以下的電器稱為低壓電器，3kV以上的電器稱為高壓電器2.額定電流額定電流是開關(guān)電器在額定頻率下能長期通過，而各個金屬部分和絕緣部分的溫升不超過長期工作時最大容許溫升的最大標(biāo)稱電流3．額定短時耐受電流（熱穩(wěn)定電流）額定短時耐受電流是高壓開關(guān)電器在規(guī)定時間內(nèi)能夠通過，而其溫升不超過規(guī)定條件的最大標(biāo)稱電流，主要反映開關(guān)電器承受短路電流熱效應(yīng)的能力。4．額定峰值耐受電流額定峰值耐受電流是指開關(guān)電器在規(guī)定條件下能夠通過而不發(fā)生機械損壞的最大標(biāo)稱電流。低壓斷路器

低壓斷路器主要用于配電線路和電氣設(shè)備的過載、欠壓、失壓和短路保護，是低壓開關(guān)中性能最完善的開關(guān)，常在低壓大功率電路中作為主控電器，如低壓配電變電站的總開關(guān)、大負載的電路和大功率電動機的控制電器等，故通常也稱為自動開關(guān)，額定電壓一般為380－1200V。

低壓斷路器從結(jié)構(gòu)上提高了滅弧能力，但由于在斷開電路時產(chǎn)生的電弧較大，易燒損主觸頭，故不適于頻繁操作。低壓斷路器分類按電源類型：交流式和直流式按結(jié)構(gòu)型式：萬能式（DW型）和裝置式（DZ型，又稱封閉式或塑料外殼式）。裝置式為正面手動操作；萬能式有四種操作方式，分為手柄操作、杠桿操作、電磁鐵操作和電動機操作

低壓斷路器的操作機構(gòu)中一般均裝有自動脫扣機構(gòu)，當(dāng)電路中出現(xiàn)故障電流時，不論操作手柄在什么位置，主觸頭均能自動地迅速分斷電路。

脫扣器是低壓斷路器的感受元件，有過流脫扣器和失壓脫扣器。電路出現(xiàn)故障時，脫扣器按整定值迅速動作，經(jīng)過自由脫扣機構(gòu)使低壓斷路器跳閘。

低壓控制電器

低壓接觸器和控制繼電器低壓接觸器是電氣傳動和自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種電器，適用于遠距離頻繁的接通和分斷交、直流主電路及大容量控制電路。其主要控制對象是電動機，也可用于控制照明設(shè)備、電焊機、電容器、電熱設(shè)備等其他負載接觸器主要有交流接觸器和直流接觸器

交流低壓接觸器的典型結(jié)構(gòu)可分為雙斷點直動式和單斷點轉(zhuǎn)動式平面布置兩種。前者結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；后者維護方便，可方便地派生為單極、二極和多汲結(jié)構(gòu)，但體積和安裝面積較大。直流低壓接觸器的動作原理和交流接觸器相似。中大容量直流接觸器采用單斷點平面布置整體結(jié)構(gòu)，小容量直流接觸器采用雙斷點立體布置結(jié)構(gòu)。

低壓真空接觸器的組成部分與一殷空氣式接觸器相似，不同的是真空接觸器的觸頭密封在真空滅弧室中。與一般空氣式接觸器相比，真空接觸器燃弧時間短、工作更可靠，缺點是存在截流過電壓控制繼電器

電磁式控制繼電器是根據(jù)電磁吸合和釋放原理而動作的繼電器，基本結(jié)構(gòu)與接觸器相同，由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)和反力系統(tǒng)三個部分組成。由于它接通能力小，所以無需滅弧裝置。常見的電磁式控制繼電器有通用（電壓、電流）繼電器、中間繼電器等。

時間繼電器是指以繼電器接受信號到執(zhí)行元件動作其間有一定時間間隔的繼電器。它又可分為電磁式和電子式兩種。電磁式時間繼電器是在電磁式控制繼電器上加裝阻尼裝置（如油杯、鐘表機構(gòu)等）構(gòu)成。電子式時間繼電器輸出可以是有觸點的，也可以無觸點，且有延時范圍廣、精確度高、調(diào)節(jié)方便、返回時間短、功耗小、壽命長的優(yōu)點，因而使用范圍越來越廣。

熱過載繼電器是通過雙金屬片流過電流而發(fā)熱彎曲來推動執(zhí)行機構(gòu)動作的繼電器。它主要由電流調(diào)節(jié)機構(gòu)、動作機構(gòu)以及熱元件組成?，F(xiàn)代熱過載繼電器大多為三相式結(jié)構(gòu)，具有斷相保護、溫度補償、整定電流調(diào)節(jié)、自動或手動復(fù)位等功能。對熱過載繼電器，除要求有良好的保護特性外，還要求有一定的耐受過電流能力，以便與系統(tǒng)開關(guān)元件和保護元件的特性相協(xié)調(diào)。

真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器。真空一般指的是氣體稀薄的空間。凡是絕對壓力低于正常大氣壓力的狀態(tài)都可稱為真空狀態(tài)。絕對壓力等于零的空間稱為絕對真空，是真正的真空，即理想的真空。

目前真空斷路器已廣泛用于10、35kV配電系統(tǒng)中，額定開斷電流已能做到50－100kA。有些國家還生產(chǎn)了72／84kV級的真空滅弧室。近年來我國12kV級真空斷路器的額定開斷電流已達63kA的水平，與國外產(chǎn)品的技術(shù)水平基本相同。六氟化硫斷路器

六氟化硫（SF6）斷路器是利用SF6氣體作滅弧和絕緣介質(zhì)的一種斷路器。

SF6是一種無色、無味、無毒旦不易燃的惰性氣體，在150℃以下時，化學(xué)性能相當(dāng)穩(wěn)定。它不含碳元素，這對于滅弧和絕緣介質(zhì)來說，是極為優(yōu)越的特性。SF6不含氧元素，因此不存在觸頭氧化的問題。SF6還具有優(yōu)良的電絕緣性能，在300kPa下，其絕緣強度與一般絕緣油的絕緣強度大體相當(dāng)。特別優(yōu)越的是在電流過零時，電弧暫時熄滅后，SF6具有迅速恢復(fù)絕緣強度的能力，使電弧難以復(fù)燃而很快熄滅。SF6斷路器與油斷路器比較，具有斷流能力強、滅弧速度快、電絕緣性能好、檢修周期長、適于頻繁操作，而旦沒有燃燒爆炸危險的優(yōu)點；缺點是，要求其加工精度很高、密封性能要求很嚴，因此價格比較昂貴。SF6斷路器主要用于需頻繁操作及有易燃易爆危險的場所，特別是用作全封閉式組合電器