《工程学概论》课件.ppt

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1、电机与电器 电机与电器学科主要涉及电机、电器及其它电磁与机电装置的理论、设计、制造、运行及控制规律。,电机是一种用来进行电能与机械能相互转化的电磁装置，它的运行原理建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上。虽然不同类型的电机具有不同的用途和性能，但是它们都是一种能量的转换装置，例如通过把煤、天然气、水力、风力等自然界中的储能转换成机械能后，电机再把机械能转换为电能；反之，电机也可将电能转换为机械能。,电 机,电机的作用 能源系统的关键设备发电机、电力变压器 各领域中有特殊要求的动力装置机械加工、电力机车、农用收割机、抽水机、国防雷达天线、火炮控制系统、家用电器,电机的分类 按照电机的用途分类：l）

2、发电机将机械能转换为电能。2）电动机将电能转换为机械能。3）控制电机作为控制系统的元件。4）变压器,按照电机的电流类型分类：直流电机和交流电机 交流电机可以分为同步电机和异步电机。1）同步电机转子旋转速度等于同步速度。2）异步电机作为电动机运行时，转子旋转速度较同步速度为小；作为发电机运行时，转子旋转速度较同步速度为大。,按照电机的相数分类：单相电机 多相电机 如单相交流电机和最常见三相电机。,引进600MW汽轮发电机,发电机,国产300MW汽轮发电机,国产200MW汽轮发电机定子,国产200MW汽轮发电机定子铁心,现场运行的水轮发电机,1）各行业广泛使用电动机,电动机,2）在高新技术领域的新

3、应用,信息技术（雷达驱动）航天、航空、航海 生物医学工程（多种医疗设备）,历程 1833年 直流电机 1885年 异步电动机 1889年 三相系统,电机发展历程及当前状况,至今保留在美国麻省理工学院的由爱迪生发明的一种直流电动机,汽发：消化引进，设计600MW 700MW水发,三峡电站 500kV输电线路以及相应的变压器 500kV直流输电，西电东送运行中 400MW燃气轮机联合循环机组 引进建设 600MW核电机组,我国目前实际应用情况,国内外与电机相关的研究领域 精确模型研究 新能源技术（风力发电，波浪发电，高速“电、热、冷”三联供机组）机电一体化(电机、电力电子与微电子结合)特殊新用途（

4、电磁发射，纳米电机）,当前研究、开发与创新,新能源技术-风力发电,1、风力发电机组包含两大部分：风力机：将风能转换为机械能。发电机：将机械能转换为电能。2、风力机的组成：（1）风轮；（2）调速器或限速器：保持转速恒定或不超过规定值。（3）调向装置：使风轮对准风向。（4）传动机构（低速轴、高速轴、齿轮箱、连轴节、制动器等）；（5）塔架；3、风力发电机的并网情况：（1）大型风力发电机（1MW以上）采用并网运行。（2）中型风力发电机（几十千瓦至几百千瓦）采用并网运行，或者与其他发电装置并联互补运行。（3）小型风力发电机（10kW以下）采用直流发电系统并配合储能装置独立运行。4、风电的装机容量：在20

5、00年世界总量约1千万千瓦（107kW）。至1998年底，我国总量22万千瓦，仅占全国电网总容量的0.07%。主要分布在新疆、内蒙古、广东和浙江等（河北的张北风电厂装机容量约1万千瓦）。发电机组绝大部分是进口的。,新能源技术-波浪发电,特殊新用途（电磁发射，纳米电机）,电磁发射技术超微电机与微型机器人技术人工心脏技术,研究热点,高效电动机微特电机 风力发电机 智能型电力电子变压器,电 器,包括 开关电器、变换电器、限制电器和组合电器,电 器,广义上：凡是电气器具都可称为电器。凡是对电能的生产、输送、分配与应用起控制、调节、检测及保护等作用的电工器械。凡是根据外界指定信号和要求，自动或手动接通和

6、断开电路，断续或连续地改变电路参数或状态，以实现对电路或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换及调节的电气设备。,电 器,220v、380v：10kv:15-20km35kv:40-50km110kv:100km以上220kv:200-300km以上500kv、750kv、1000kv,电 器,高压电器：额定电压3kv及以上低压电器：ac 1000v及以下 IEC dc 1500v及以下 国际电工委员会 ac 1140v（1200v）及以下 dc 1500v（1650v）及以下（国标）,电 器,配电电器：用于电能输送和分配 断路器、熔断器、刀开关等控制电器：用于各种控制电路和控制系统 接触器、

7、继电器等按钮、指示灯、电磁阀、插座、导线、电流表成套电器（动力配电箱等）,电器发展,解放后：全面仿苏、自行设计（60年代）、更新换代、技术引进（70-80年代）、跟踪国外新产品（90年代）可通信智能化方向发展：电子化、集成化、智能化、机电一体化。传统电器：高性能、高可靠、小型化、模数化、组合化、零部件通用化,传统电器理论范畴,电磁机构理论：电-力-运动电接触理论电弧理论电器发热和电动力理论,继电器继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。,电磁式继电器,互感器 互感器是利用变压器的电磁感应原理，将大电量信号转换为小电量信号以方便测量的一种设备

8、，分为电流互感器和电压互感器两种。,互感器的主要用途有：（1）将大电量按一定比例变换为普通仪表可测量的小电量。通常电流互感器的二次侧绕组的额定电流为1A或5A，电压互感器二次侧绕组的额定电压为100V或50V。（2）向继电保护装置的测量系统供电，保证二次设备的正常工作和安全。（3）实现高电压系统的隔离，保护测量人员的人身安全。,（一）、电流互感器（TA）,1.电流互感器的工作原理 电流互感器侧量接线如下图所示。它的一次侧绕组是由一匝或几匝截面积较粗的导线构成，串联于待测电流的支路中；二次侧绕组匝数较多，与阻抗很小的测量仪表、继电器及各种自动装置的电流绕组连接，因此电流互感器的实际运行状态可以近

9、似看作变压器的短路运行。电流比等于匝数比的倒数。,（二）、电压互感器（TV）,电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。1、电磁式电压互感器（1）、工作原理电磁式电压互感器的工作接线如图右所示。它的一次侧绕组由多匝导线构成，与待测电路并联连接；二次侧绕组匝数较少，串接阻抗很大的测量仪表。电压互感器的实际运行状态可以近似看作变压器的空载运行。电压互感器的电压比等于匝数比。,（二）、电压互感器（TV）,电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。1、电磁式电压互感器（1）、工作原理电磁式电压互感器的工作接线如图右所示。它的一次侧绕组由多匝导线构成，与待测电路并

10、联连接；二次侧绕组匝数较少，串接阻抗很大的测量仪表。电压互感器的实际运行状态可以近似看作变压器的空载运行。电压互感器的电压比等于匝数比。,开 关 电 器,开关电器是指用来关合和开断电路的电器，包括：(1）断路器：主要用在电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路。（2）隔离开关：主要用来将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。（3）熔断器：用来在电路发生故障或短路时依靠熔件的熔断来开断电路。（4）低压控制电器：用于接通和分断低压交、直流的控制电路。,高压断路器是电力系统中最重要的高压开关电器，不但要用于关合开断正常线路工作，更主要是用来在电力系统发生短路故障时自动地切断短路电流。,高压断

11、路器根据灭弧介质及作用原理可分为：油断路器、真空断路器、压缩空气断路器和SF6断路器。近年来真空断路器和SF6断路器得到快速发展,开关电器的技术参数 开关电器的性能由开关电器的各种技术参数表示。其主要技术参数如下:1额定电压 额定电压是指开关电器设计时所采用的标称电压。所谓标称电压是指我国国家标准中列入的电压等级。按我国标准，额定电压1200V以下的电器称为低压电器，3kV以上的电器称为高压电器,2.额定电流 额定电流是开关电器在额定频率下能长期通过，而各个金属部分和绝缘部分的温升不超过长期工作时最大容许温升的最大标称电流,3额定短时耐受电流（热稳定电流）额定短时耐受电流是高压开关电器在规定时

12、间内能够通过，而其温升不超过规定条件的最大标称电流，主要反映开关电器承受短路电流热效应的能力。4额定峰值耐受电流 额定峰值耐受电流是指开关电器在规定条件下能够通过而不发生机械损坏的最大标称电流。,低压断路器 低压断路器主要用于配电线路和电气设备的过载、欠压、失压和短路保护，是低压开关中性能最完善的开关，常在低压大功率电路中作为主控电器，如低压配电变电站的总开关、大负载的电路和大功率电动机的控制电器等，故通常也称为自动开关，额定电 压一般为3801200V。,低压断路器从结构上提高了灭弧能力，但由于在断开电路时产生的电弧较大，易烧损主触头，故不适于频繁操作。,低压断路器分类按电源类型：交流式和直

13、流式按结构型式：万能式（DW型）和装置式（DZ型，又称封闭式或塑料外壳式）。装置式为正面手动操作；万能式有四种操作方式，分为手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作和电动机操作,低压断路器的操作机构中一般均装有自动脱扣机构，当电路中出现故障电流时，不论操作手柄在什么位置，主触头均能自动地迅速分断电路。脱扣器是低压断路器的感受元件，有过流脱扣器和失压脱扣器。电路出现故障时，脱扣器按整定值迅速动作，经过自由脱扣机构使低压断路器跳闸。,低压控制电器 低压接触器和控制继电器 低压接触器是电气传动和自动控制系统中应用最广的一种电器，适用于远距离频繁的接通和分断交、直流主电路及大容量控制电路。其主要控制对象是电动机

14、，也可用于控制照明设备、电焊机、电容器、电热设备等其他负载 接触器主要有交流接触器和直流接触器,交流低压接触器的典型结构可分为双断点直动式和单断点转动式平面布置两种。前者结构紧凑、体积小、重量轻；后者维护方便，可方便地派生为单极、二极和多汲结构，但体积和安装面积较大。直流低压接触器的动作原理和交流接触器相似。中大容量直流接触器采用单断点平面布置整体结构，小容量直流接触器采用双断点立体布置结构。,低压真空接触器的组成部分与一殷空气式接触器相似，不同的是真空接触器的触头密封在真空灭弧室中。与一般空气式接触器相比，真空接触器燃弧时间短、工作更可靠，缺点是存在截流过电压,控制继电器 电磁式控制继电器是

15、根据电磁吸合和释放原理而动作的继电器，基本结构与接触器相同，由电磁系统、触头系统和反力系统三个部分组成。由于它接通能力小，所以无需灭弧装置。常见的电磁式控制继电器有通用（电压、电流）继电器、中间继电器等。,时间继电器是指以继电器接受信号到执行元件动作其间有一定时间间隔的继电器。它又可分为电磁式和电子式两种。电磁式时间继电器是在电磁式控制继电器上加装阻尼装置（如油杯、钟表机构等）构成。电子式时间继电器输出可以是有触点的，也可以无触点，且有延时范围广、精确度高、调节方便、返回时间短、功耗小、寿命长的优点，因而使用范围越来越广。,热过载继电器是通过双金属片流过电流而发热弯曲来推动执行机构动作的继电器

16、。它主要由电流调节机构、动作机构以及热元件组成。现代热过载继电器大多为三相式结构，具有断相保护、温度补偿、整定电流调节、自动或手动复位等功能。对热过载继电器，除要求有良好的保护特性外，还要求有一定的耐受过电流能力，以便与系统开关元件和保护元件的特性相协调。,真空断路器 利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间称为绝对真空，是真正的真空，即理想的真空。,目前真空断路器已广泛用于10、35kV配电系统中，额定开断电流已能做到 50100kA。有些国家还生产了 7284kV级的真空

17、灭弧室。近年来我国12kV级真空断路器的额定开断电流已达63kA的水平，与国外产品的技术水平基本相同。,六氟化硫断路器 六氟化硫（SF6）断路器是利用SF6气体作灭弧和绝缘介质的一种断路器。SF6是一种无色、无味、无毒旦不易燃的惰性气体，在150以下时，化学性能相当稳定。它不含碳元素，这对于灭弧和绝缘介质来说，是极为优越的特性。,SF6不含氧元素，因此不存在触头氧化的问题。SF6还具有优良的电绝缘性能，在300kPa下，其绝缘强度与一般绝缘油的绝缘强度大体相当。特别优越的是在电流过零时，电弧暂时熄灭后，SF6具有迅速恢复绝缘强度的能力，使电弧难以复燃而很快熄灭。,SF6断路器与油断路器比较，具

18、有断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、检修周期长、适于频繁操作，而旦没有燃烧爆炸危险的优点；缺点是，要求其加工精度很高、密封性能要求很严，因此价格比较昂贵。SF6断路器主要用于需频繁操作及有易燃易爆危险的场所，特别是用作全封闭式组合电器。,熔断器 熔断器是一种最早采用的简单保护电器，是人为地在电路中装设的薄弱环节。当电路中通过短路电流或长期通过负载电流时，利用熔体本身产生的热量将自己熔断，从而切断电路，达到保护电气设备和载流导体的目的。熔断器不能用在正常工作时切断或接通电路，必须与其他开关电器配合使用。,熔断器的种类较多，按电压可分为高压熔断器和低压熔断器；按装设地点可分为户内式和户外式；按结构可分为螺旋式、插片式和管式；此外，还可分为限流式和无限流式等。虽然熔断器的种类很多，但熔断器的基本结构仍由金属熔体、支持熔体的触头和外壳组成,