2018级电气工程概论范瑜考试重点

1、1.1电气工程在国民经济中的地位电气工程是与电能生产和应用相关的技术,同时它也是工程教育体系中的一个学科。在我国高等学校的本科专业目录中,电气工程对应的专业是电气工程及其自动化或电气工程与自动化。电气工程的理论基础是电气科学。电气科学与电气工程所涉及的领域十分宽广,研究的内容十分丰富,国家自然科学基金委员会划分的电气科学与工程的领域和子领域见表1-1。电能是最清洁的能源,而且易于远距离传输和控制,所以已经成为人类现代社会最主要的能源形式。电作为一种特殊的能量存在形态,在物质、能量、信息的相互转化过程以及能量的相互转化中起着重要的作用。由于电(或磁、电磁)本身具有极强的可控性,大多数的能量转换过

2、程都以电(或磁、电磁)作为中间能量形态进行调控,信息表达的交换也越来越多地采用电(或磁)这种特殊介质来实施,因此,当代高新技术都与电能密切相关,并依赖于电能：1.4电气工程的理论基础电气工程学科除具有其各分支学科的专业理论外,还具有本学科的共性基础理论(电路理论、电磁场理论、电磁计量理论等,它与基础科学(如物理、数学等)的相应分支具有密切的联系,但又具有明显的差别。因为基础科学的主要任务是认识客观世界的本质及其内在规律,而技术科学的目的则在于改造客观世界以达到人们的预定要求。在分析与计算电路时,通常这样规定电流、电压和电动势的方向:电流的方向规定为正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向电压的方

3、向规定为由高电位端指向低电位瑞,即为电位降低的方向;电源电动势的方向规定为在电源内部内低电位端指向高电位端,即为电位升高的方向。上述规定的方向,通常作为它们的实际方向。二、欧姆定律欧姆定律在物理课中早就学过,它是电路的基本定律之一,但在电路理论中处理这个定律时并不是简单重复过去所讲的内容,而是通过它进一步加深对电压、电流正方向的理解。要注意两点：第一,应用欧姆定律列式子时,首先要在电路图上标出电流、电压或电动势的正方向,当电压和电流的正方向选得相反时,表达式须带负号;第二,在正方向选定之后,电压和电流本身有正值或负值。所以这里有两套正、负号。如图1-22与图1-23所示。三、基尔霍夫定律（1）

4、基尔霍夫电流定律,I=0反映了汇合到电路中任一结点的各支路电流间相互制约的关系。其实质是电流连续性。即在任何一个无限小的时间间隔内,流向结点的电荷必然等于流出的电荷,在结点上不能聚集电荷。(2)基尔霍夫电压定律,U=0反映了一个回路中各段电压间相互制约的关系,其实质是电位单值性原理,即在任一瞬时,从回路中任意一点出发,沿回路绕行一周,电位升之和必然等于电位降之和,回到出发点时,该点的电位不会发生变化。2.1.1电机的作用电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械，包括旋转电机和变压器两大类。旋转电机是机电能量转换装置,主要用作发电机,把机械能转变成电能;或作为电动机

5、,把电能转变成机械能。有的电机还用作调相机,用于改善电网的功率因数。此外,还有微特电机,广泛应用于自动控制系统中。变压器是各部件间无相对运动的电能变换装置,广泛应用于电能传输,电压、电流、阻抗的变换和电路隔离。电机的主要作用表现在三个方面：1.电能的生产、传输和分配在发电厂中,发电机由汽轮机、燃气轮机、柴油机或水轮机带动。发电机将燃料燃烧、原子核裂变的能量或水的位能转化为机械动能传给发电机,在发电机中转换成电能,然后用变压器升高电压,通过输电线把电能送到用电地区,再经变压器降低电压,供用户使用。2.驱动各种生产机械和装备在工农业、交通运输、国防等部门和生活设施中,极为广泛地应用各种电动机来驱动

6、生产机械、设备和器具。例如,机床驱动、电力排灌、农副产品加工、矿石采掘和输送、电车和电力机车的牵引、抽水、鼓风、起吊、轧钢、造纸、医疗设备及家用电器的运行等一般都采用电动机来拖动。3.作为各种控制系统和自动化、智能化装置的重要元件随着工农业和国防设施自动化水平的日益提高,出现了多种多样的控制电机,它们在控制系统、自动化和智能化装置(例如电子计算机和机器人)中分别作为执行、检测、放大和解算元件。这类电机一般功率较小,但品种繁多、用途各异,例如,电梯的自动选层与显示,阀门遥控,火炮和雷达的自动定位,飞行器的发射和姿态的控制,机床加工的自动控制和显示,以及计算机外围设备、各种自动记录仪表、音像录放设

7、备、医疗器械和现代家用电器设备等的运行控制、检测或者记录显示。2.2.1电机的分类电机是进行机电能量转换或信号转换的电磁机械装置的总称。按照不同的角度,电机有不同的分类方法：按照所应用的电流种类,电机可以分为直流电机和交流电机。按照在应用中的功能来分,电机可以分为下列各类。1)将机械功率转换为电功率发电机。2)将电功率转换为机械功率电动机。3)将电功率转换为另一种形式的电功率,又可分为:输出和输入有不同的电压变压器。输出与输入有不同的波形,如将交流变为直流变流机。输出与输入有不同的频率变频机。输出与输入有不同的相位移相机。(4)在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机控制电机。按运行速度，电机

8、又可以分为：(1)静止设备变压器。(2)没有固定的同步速度直流电机。(3)转子速度永远与同步速度有差异异步电机。(4)速度等于同步速度同步电机。(5)速度可以在宽广范围内随意调节交流换向器电机。按功率大小,又可以分为大型电机、中小型电机和微型电机。随着电力电子技术和电工材料的发展,出现了其他一些特殊电机,它们并不属于上述传统的电机类型,包括步进电动机、无刷电机、开关磁阻电机、超声波电机等,这些电机通常被称为特种电机。2.2.4变压器变压器是一种静止电机其主要组成部分是铁心和绕组。为了改善散热条件,大、中容量的电力变压器的铁心和绕组浸入在盛满变压器油的封闭油箱中,各绕组对外线路的连接由绝缘套管引

9、出。为了使变压器安全可靠地运行,还设有储油柜、安全气道、气体继电器等附件。图2-4所示是一台正在运行的三相油浸式电力变压器。变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组,图2-5所示为三相变压器的铁心与绕组。把接交流电源的绕组设定为一次绕组,其匝数用字母N1表示;把接负载的绕组设定为二次绕组,其匝数用字母N2表示。当一次绕组接通交流电源时,二次绕组接的电灯就会发光。这可以根据电磁感应原理来说明：2.2.5 特种电机三、步进电动机步进电动机( Stepping Motor)把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动,在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号,步进电动机前进一步,故又称脉冲电动机。随着微

10、电子和计算机技术的发展,步进电动机的需求量与日俱增,在国民经济各领域都有应用。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成,由此驱动电源向电动机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能取决于电动机与驱动电源间的良好配合。步进电动机分为机电式及磁电式两种基本类型。机电式步进电动机由铁心、线圈、齿轮机构等组成。螺线管线圈通电时将产生磁力,推动其铁心心子运动,通过齿轮机构使输出轴转动一角度,通过抗旋转齿轮使输出转轴保持在新的工作位置;线圈再通电,转轴又转动一角度,依次进行步进运动。磁电式步进电动机主要有永磁式、反应式和永磁感应子式三种形式。图2-8所示为各种步进电动机。四、超导电机

11、超导电机在机电能量转换原理上与普通电机没有什么不同,只是其绕组采用超导材料,可以大大减小体积、节约能源。由于实现超导需要制冷设备,所以结构特别复杂,因此一般仅用于大型发电机或者电动机(如万吨巨轮的推进)。图2-9所示是一台舰船用超导直流电动机。五、超声波压电电动机超声波压电电动机是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置,它没有磁场与绕组,与传统电磁式电机原理完全不同。它是利用压电材料的逆压电效应,将电能转换为弹性体的超声振动,并将摩擦传动转换成运动体的旋转或直线运动。这类电动机具有运行速度低、出力大、结构紧凑、体积小、噪声小等优点,而且不受环境磁场的影响,可以应用于生物生命科

12、学、光学仪器、高精密机械等领域。图2-10所示是一个微型超声波压电电动机。2.3电机的应用领域2.3.1电力工业一、汽轮发电机汽轮发电机用于火力发电厂和核电厂,是同步电机的一种。由于原动机（汽轮机)转速很高.一般为3000r/min,因此汽轮发电机的转子细而长,以减小线速度。图2-11所示是一台国产60万千瓦汽轮发电机正在安装转子。目前世界上最大的汽轮发电机容量已经超过100万千瓦。二、水轮发电机水轮发电机用于水力发电厂,也是同步电机的一种。由于原动机(水轮机)转速较低,一般为几百转/分以下,因此水轮发电机的转子粗而短,以增加极数。图2-12所示是在三峡电站安装的水轮发电机,三峡机组是目前世界

13、上最大的水轮发电机组,功率达70万千瓦。三峡电站总装机26台,单机容量70万千瓦。三、风力发电机风力发电就是通过捕风装置的叶轮将风能转换成机械能,再将机械能转换成电能的过程。风能是最廉价、最清洁、最有开发价值的新能源。近十几年来,我国政府加快了风电的开发,还引进了国外生产的、技术先进的大型风力机,组建风电场,促进了我国风电事业的发展。按装机容量分,风力发电机有小型、中型、大型、特大型系列。小型风力发电机容量为0.1-1kW,中型风力发电机为1-100kW,大型风力发电机为100-1000kW,特大型风力发电机为1000kW以上。几乎所有类型的发电机都用到风力发电中,最常见的有同步、异步、直流和

14、永磁发电机。最近,国外特大型风力发电机用永磁外转子无刷直流发电机的较多。2.7电器的分类电器按功能分为：（1）用于接通和分断电路的电器 主要有刀开关、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 主要有电磁起动器、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(用于电机的各种起动器正越来越多地被电力电子装置所取代)（3）用于切换电路的电器 主要有转换开关、主令电器等。（4）用于检测电路系数的电器 主要有互感器、传感器等。 (5)用于保护电路的电器 主要有熔断器、断路器、限流电抗器、避雷器等。电器按工作电压可分为高压电器和低压电器两类。在我国,工作交流电压在1

15、000V及以下,直流电压在1500y及以下的属于低压电器;工作交流电压在1000以上,直流电压在1500V以上的属于高压电器。下面主要按电压的分类介绍电力系统中的高压电器和低压电器的基本结构与作用。2.8.2互感器互感器是电力系统中供测量和保护用的设备,分为电压互感器和电流互感器两大类。互感器的作用是:（1）向测量、保护和控制装置传递信息。（2）使测量、保护和控制装置与高电压之间隔离。（3）有利于仪器、仪表和保护、控制装置小型化、标准化。常用的电流互感器是按电磁变换原理工作的,结构与变压器相同,称为电磁式电流互感器。而电压互感器除了电磁式以外,还有电容式的。图2-43所示是正在对我国三峡左岸电

16、站的高压电压互感器进行介质损耗试验。3.1电力系统发展简史3.1.1电力工业简介自然界存在着大量可直接利用的能源,可直接提供热、光、动力等,这样的能源称一次能源主要包括植物能源(柴草等)、矿物能源(煤、油、天然气等)、可再生能源(水、风、潮汐、地热、太阳能等)及核能(核裂变、核聚变)。由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源产品,称为能二次能源。二次能源更具优越性，其利用效率高清洁、方便。电能是一种被极其广泛地应用的二次能源。电能可以方便地转换成机械能、光能等其他形式的能量供人们使用。电能的生产和使用具有其他形式能源不可比拟的优点。它转换容易、便于远距离输送,能灵活、方便地进行控制,生产成

17、本低,电能应用对环境不构成污染等。因此,电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。电力工业是生产和销售电能的行业。电力工业的任务是为社会提供能源,即向用户提供安全、可靠、方便、优质经济的电能。它是现代社会不可或缺的一种公用事业,是国民经济重要的基础产业,也是国民经济发展战略中的重点和先行产业。电力工业必须优先于其他工业部门的发展而发展，其建设和发展的速度必须适应国民经济生产总值的增长速度,只有这样,国民经济各部门才能够快速而稳定地发展,这是社会的进步、综合国力的增强及人民物质文化生活现代化的需要。电力工业的主要生产环节有：(1)发电 利用各种能源资源,生产电能。

18、发电过程是各种不同形式的能源转换为电能的过程。根据一次能源的不同,工业电站(电厂)的类型有:水力、火力、核能、太阳能、风能、抽水蓄能、潮汐、波浪、地热、海洋温差、沼气、垃圾、燃料电池、蓄电池等电站。目前世界上的绝大多数电能是由前三种电站提供的。(2)输电 电力的输送。是从发电厂(站)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电力网络完成。(3)变电 电压等级的变换。是在变电站内,由变压器将某个电压等级变换至不同的电压等级。(4)配电 电能的分配供给。是在消费电能地区内,将电能分配至用户,并直接为用户服务。根据电压等级

19、的不同分为高压配电(35-110kV)、中压配电(1-35kV)和低压配电(1kV以下,如380/220V)。由相应电压等级的配电线路(馈线)及配电变电站或变压器构成的配电网络完成。(5)用电 电能消费。社会上应用的电能是由一次能源加工转换得来的,送到用户后又借助各种能量转换装置(用电设备)转换为机械能、热能、光能、化学能等,以满足社会政治、经济、文化和人民生活的需要。用于输电、变电、配电的线路、变电站组成的网络称为输配电网络或电力网络,简称电网。输配电网再加上发电厂(站)电力用户就构成了电力系统。电力工业还包括以下环节:规划、勘测设计、施工建设、运行调度、维护改造、安全监察、科研开发、设备制

20、造、教育培训、法规标准、电力营销(电力市场)等。3.2.1电力系统的功能与作用电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统,按规定的技术和经济要求组成的一个统一系统。电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能,满足国民经济和人民生活的需要。一个现代电力系统是由极宽阔的地域内的大量电力设备互联在一起形成的。如我国就有华东、东北、华北、华中、川渝、西北、南方四省等区域电网和部分省网,规划到2015年实现全国联网。联网的优越性表现在:能更经济合理地开发利用各种一次能源,能解决能源资源与负荷分布地区间的不平衡问题;可以错开用电高峰低谷,减少装机和备用;有利于采用

21、标准化大型设备,节省投资和提高运行经济性;便于故障时相互支援,提高运行安全性;便于集中管理,实现经济调度和电力合理分配。发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备,主要有发电机、变压器、架空线路、电缆、断路器、母线、电动机、照明设备、电热设备等。由主设备构成的系统称为主系统,也称一次系统。测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信,以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称二次设备。二次设备构成的系统称为辅助系统,也称为二次系统(因为它们接于互感器的二次侧或电力主设备的操作控制接口上）3.2.3电力资源与负荷我国用于发电的一次能源蕴藏量较为丰富,深埋在1000米以

22、内的煤炭总资源量为2.6万亿吨,列世界第2位;我国水力资源蕴藏量有6.7610*8kW,居世界首位,其中可供开发利用的就有3.710*3kW,居世界首位,70%以上的水能资源集中在西南地区;其他如石油、核燃料、风能、太阳能、地热等能源也较丰富,这些都为我国电力工业的发展奠定了雄厚的物质基础。中国资源的分布(西部为主)中国能源的结构(水、煤为主)、中国经济的发展格局(东部领先)决定了中国电网的发展格局:西电东送、南北互供、全国联网。工业、农业、交通运输等国民经济各部门以及人民生活用电组成电力系统的负荷。按供电可靠性分类,电力级荷分为三级。(1)一级负荷 对一级负荷中断供电,将可能造成生命危险、损

23、坏设备、破坏生产过程，使大量产品报废,给国民经济造成重大损失,使市政生活发生混乱。(2)二级负荷 对二级负荷停止供电,将造成大量减产、交通停顿,使城镇居民生活受到影响等。(3)三级负荷 不属于一、二级负荷的其他负荷。电力负荷是电力系统规划、设计、运行、发电、送电、变电布局、布点的主要依据。除上述定性分类外,近年来还开展了以概率统计为基础的定量分析研究。为了有效利用资源,满足电力用户的需求,需要做好电力系统规划。电力系统规划的原则是:要在国家经济发展计划的指导下,对能源进行合理开发利用,协调发展发、输、变、配、用电系统,以尽可能少的投资满足用户需求,适当安排备用以保证运行灵活性和安全可靠性,要有

24、足够的抗干扰能力。由于电力建设周期较长,大型水电和核电厂8-10年,大型火电厂3-5年,因此需拟订15-30年的电力系统长远发展规划,并在其具体指导下,制定5-15年的中期发展规划。前者进行电力负荷需求预测,掌握可开发动力资源、新技术的发展趋势、电力系统对社会发展的适应性等资料,然后充分考虑原有系统的条件,提出电源的构成与配置输电网的电压等级和结构,以及配电网的发展原则等。后者则是对规划期内系统的发展进行调研、计算、分析、方案比较,提出具体分阶段的电源和电网规划建设项目和进度等。3.2.6交流系统与直流系统电力系统的电大致可分为直流电和交流电。直流电的大小相对于时间是恒定的,方向也不改变。以干

25、电池为例,它的极性(正端与负端)是不变的,因而直流电方向也不变。而交流电则与此不同,其大小及方向随时间做周期性变化,与直流电相比,其变化比较复杂。所谓方向变化也就是表示极性的变化。若用示波器观测直流电与交流电的波形,可得如图3-4所示的相对于时间变化完全不同的直流电与交流电波形。电力系统的发展首先是从直流开始的。为了照明的目的,原始的直流发电机连接到电力线路上采用110-220V直流电供给串联的弧光路灯,供电距离在1-2km以内。随着生产的发展,要求增大输送功率与输电距离,提高输电效率,这就要求提高输电电压,而发电机电压因避免出现电晕不可能提得很高,且直流高压输电与用户低压用电之间存在着难以克

26、服的矛盾,使得当时的直流输电制遇到很大的挑战。而交流输电制却可使用变压器,从而简单、经济、可靠地解决了提高输电电压的问题,使得直流输电系统逐渐被新兴的三相交流输电制所代替。1885年匈牙利工程师吉里等硏究出封闭磁路的单相变压器,由此实现了单相交流输电。但由于单相交流电动机起动困难,不能保证增加发电厂的容量和扩大电网的伸展长度。1888年俄国工程师多利沃一多勃罗沃利斯基先后发明了三相异步电动机、三相变压器和三相交流制。1891年德国工程师奥斯卡拉冯密勒主持建立了最早的三相输电系统(如图3-5所示)。由劳芬镇输电至法兰克福,输送距离是175km,输送功率约为130kW。工程的建成标志着历史上输电技

27、术的重大突破,由此奠定了现代电力系统的输电模式。三相交流电的出现克服了原来直流供电容量小、距离短的缺点,也比单相交流电更加经济,实现了远距离供电。电力不再仅仅用于照明,而且在工业、生活中也得到了广泛应用。为了减少线路输电损耗,不断地提高线路电压。随着电压的提高,输送功率和输送距离便不断增大。提高线路电压与线路的绝缘有着密切的关系,随后线路的绝缘成为输电发展的制约因素。交流系统中的同步发电机并联运行的稳定性问题也是一个重要的技术问题。为彻底解决交流输电中同步发电机并联运行的稳定性问题,工程师的思想又转向直流输电。当今的直流输电系统已经不同于早年的直流系统,现代高压直流输电是将三相交流电通过换流站

28、整流变成直流电,然后通过高压直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线路组成,两个换流站与两端的交流系统相连接(如图3-6所示)。即由交流发电机经整流器、高压直流输电线路及逆变器后接入受端交流系统。我国目前的直流输电电压已达到800kV,输送距离已超过1700km,输送功率已超过6400MW,居世界领先水平。直流输电线路造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。一般地,架空线路超过600-800km,电缆线路超过40-60km,直流输电比交流输电更经济。随着高电压大容量电力电子元件及控制保护技术的发展,换流设备造价逐渐降低,直流输电近年

29、来发展较快。概而言之,输电技术的发展大致经历了直流传输一交流传输一交直流传输的发展过程。3.2.7电力系统的运行一、电力系统基本参量主要的电气参量有电压、电流、阻抗(电阻、电抗、容抗)、功率(视在功率、有功功率、无功功率）、频率等。其中,交流系统由于电压、电流是随时间交变的,其瞬时功率(电压u电流i的乘积ui)也是交变的(如图3-7所示），该瞬时功率在一个周期中的平均值即为有功功率P，基本单位为瓦特（W）。四、电能质量电能质量是电力系统对用户供电的规范条件。在一个理想的交流电力系统中,电能是以一恒定的工业频率(50Hz或60Hz)和正弦的波形,按规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中各

30、相电压和电流应该是幅值相等,相位差120度的对称状态(如图3-10所示)所以电能质量一般用频率、电压、aaaaa波形三相电压和电流的不对称度来衡量。电力系统中各种发、输、变、配电设备和用电设备一般都是按额定工业频率和各种电压等级的额定电压来设计的,在这种条件下,电气设备的运行性能最佳、效率最高。任何频率和电压对额定值的偏移都将影响这些设备的运行性能和效率,同时也会缩短各种设备的寿命。所以,各国电力系统为了保证电气设备的正常运行,都规定了相应的频率和电压质量标准。理想的电压波形是正弦波。但由于各种非线性负荷、设备的接入,使电压和电流波形发生畸变,出现各次谐波。在三相交流电力系统中,大容量单相负荷

31、的出现、单相负荷在三相系统中分布的不均匀性、单相负荷投入断开的随机性,以及电力系统各相元件阻抗的不等,都会使对称的三相系统变得不对称。电力系统中的谐波和三相电流、电压的不对称都将影响各种电力设备和通信线路的正常运行性能,所以各国及各电力系统也都拟订了管理电力系统谐波的规定和电力系统不对称度的标准。另外,电力系统频率的波动,电压的波动和闪变(波动的幅值和频率),直流输电系统中的电压脉动,供电的连续性(年不停电时间)、可靠性等也都是考核电能质量的指标。3.3.5新能源发电目前,世界上除了以利用燃料的化学能、水的位能、核燃料的裂变和聚合能为生产电能的主要方式外,利用太阳能、风能、地热、潮汐、波浪、海

32、洋温差、沼气、垃圾、燃料电池等能源生产电能也在不断地研究、应用中发展。我国可供利用的这类资源也很丰富。一、太阳能发电利用太阳光能或太阳热能来生产电能就是太阳能发电。通过光电转换元件如光电池等将太阳光直接转换为电能的发电方式,也广泛用于宇航装置、人造地球卫星上。利用太阳热能发电,有直接热电转换和间接热电转换两种形式。温差发电、热离子和磁流体发电等,属于直接转换方式发电。将太阳能集中或分散地聚集起来,通过热交换器将水变为蒸汽驱动汽轮发电机组发电,是间接转换方式发电(如图3-15所示)太阳能是取之不尽、用之不完的廉价能源,利用太阳能发电,不用任何燃料,生产成本低,无污染现象发生。目前,世界各国在太阳

33、发电设备制造及实用性等方面的研究也取得了很大的进展，在全球，太阳能发电将具有广阔的发展前景。3.4.6电网的安全稳定控制常见的故障有:1单相接地;两相接地短路;两相短路;三相短路;断线等。系统故障可能造成的后果是：(1)短路故障点强大的短路电流及燃起的电弧,可能损毁设备。(2)电力系统部分区域电能质量下降,如电压大幅度降低,影响用户的正常生产工作。(3)短路电流所通过设备因热效应和电动力而损坏或缩短了寿命。(4)电力系统稳定性遭到破坏,产生振动，甚至引起系统瓦解。3.6.7 分布式发电系统集中发电、远距离输电和太电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式,正在为全世界90%以上的电

34、力负荷供电。但这种方式也存在一些弊端,主要有:不能灵活跟踪负荷的变化;局部事故极易扩散和导致大面积的停电;输电线路产生的电磁影响使开辟新的线路走廊越来越困难。分布式发电( Distributed Generation)系统是指功率为数千瓦至50MW的小型、模块式与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有,用以满足电力系统和用户特定的要求,如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电,节省输变电投资、提高供电可靠性等等。随着电力体制改革的发展,分布式发电也可为一些用户提供一种自主的选择,使其更能适应电力市场。通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点:(1)分布式发电系统中各

35、电站相互独立,用户由于可以自行控制,不会发生大规模停电事故,所以安全可靠性比较高。(2)分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足,在意外灾害发生时继续供电,成为集中供电方式不可缺少的重要补充。(3)可对区域电力的质量和性能进行实时监控,适合向农村、牧区、山区、发展中的中小城市或商业区的居民供电,可大大减小环保压力。(4)分布式发电的输配电损耗可以忽略,无需建配电站,可降低或避免附加的输配电成本,同时土建和安装成本低。(5)可以满足特殊场合的需求,如移动分散式发电车。(6)调峰性能好,操作简单,由于参与运行的系统少,启停快速,便子实现全自动。4.1.1电力电子技术的作用简单地说，电力电子技术就息

36、电子器件为开关,把能得到的电源（如220V50Hz交流、48V直流等)变换为所需要的电源（如15V直流、110V60Hz交流等)的一门科学应用技术。它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术,以控制理论为基础、以微电子器件或微计算机为工具、以电子开关器件为执行机构实现对电能的有效变换。2000年,IEEE(电气电子工程师协会,国际)终身会士、美国电力电子学会前主席 Thomas G.Wilson总结了电力电子技术半个多世的发展，给出了一个更贴切的定义:电力电子技术是通过静止的手段对电能进行有效的转换控制和调节,从而把能得到的输入电源形式变成所希望得到的输出电源形式的科学应用技术概括起来说

37、,电力电子技术就是变换电源的技术。它借助于数学、软件等各种分析工具,通过合理选择使用电气电子元器件和相关拓扑变换电路,应用各种控制理论和专门设计技术,高效、实用、可靠地把能得到的电源变为所需要的电源,以满足不同的负载要求,同时以追求电源变换装置的体积小、重量轻和成本低为目标。电力电子技术的基本工作框图如图4-2所示。4.1.2电力电子技术的萌芽1948年硅晶体管发明之后,引发了电子学的第一次革命。以硅半导体材料制作的电子器件逐步主宰了整个世界。至今为止,无论是低电压小电流的逻辑器件集成芯片,还是高压大电流的电力电子器件芯片,绝大多数都是以硅材料制作的。在能承受相同的反向电压时,硅晶体管PN结的

38、正向导通电压降比闸流管和引燃管等要低得多,而反向漏电流比锗材料制作的器件要小得多。也就是说使用硅半导体器件后,整流器的损耗会大大降低。因此1948年硅晶体管发明以后,把硅材料用于整流器的努力一直在进行。继1953年研制出100A的锗功率二极管后,1954年研制出了硅材料的功率极管。到了20世纪50年代的末期,采用硅材料的功率二极管水量应用于大功率的交直流变换系统中。由于硅二极管的低损耗高可靠性,以至于在免永的电力牵引领域,直流传动重新盛行起来,出现了“直流牵引”时代。硅功率二极管在其他领域的应用更是比比皆是。4.1.3电力电子器件的发展1957年美国通用电气公司( General Electr

39、ic,GE)发明了可控硅( Silicon Controlled Rectifier，SCR）,后被国际电工学会正式命名为晶闸管( Thyristor)。晶闸管于1960年正式供应市场。由于晶闸管是PNPN结构,具有更低的导通压降,文是可控的器件,因此它的发明被称为电子学的第二次革命。从现代角度来理解电力电子技术的内涵,晶闸管可以说是第一种电力电子半导体器件,它开启了电力电子技术的新纪元。由于晶闸管在电源变换中的突出作用和众多优点,它自发明以来得到迅速发展。图4-4所示是 Powerex公司开发的12kV/1.5kA的晶闸管。到1980年,已经开发出采用光触发的大功率晶闸管,容量达到4000V

40、/1500A。晶闸管加上正向电压后,通过触发极可选择任何时刻控制其开通;一旦导通后,触发极便失去作用,只有当流过晶闸管的电流为零时才能自然关断。这不像机械开关,既可合闸控制其开通,又可拉闸控制其关断。既能控制开通又能控制关断的晶闸管于1961年由美国通用电气公司研究成功,称为极可关断晶闸管,简称GTO。1948发明的硅晶体管(三个极为基极、集电极、发射极)，通过控制其基极,集射极之间可以起到类似机械开关的作用,可以控制电路中电流的通断。当晶体管基射极之间不加正向电流时,甚至加一定反向电压时,晶体管不导通,相当于机械开关断开;当晶体管基射极之间加上正向电流大于某一定值时,晶体管进入饱和导通态,相

41、当于机械开关闭合导通。1970年,美国国际整流器公司( International rectifier,IR)开发出500V/20A的功率晶体管。现在晶体管一般称为双极晶体管( Bipolar Junction Transistor)，简称BJT。1975年,300V/400A的功率BJT问世。由于功率晶体管的容量相对于信号用的晶体管,无论是器件耐压还是电流通过能力都要大得多,因此,功率BJT又称巨型晶体管( Giant transistor,GTR)。为使功率BJT能达到高的电流通过能力,采取了一种基射极级联的复合晶体管结构,称为达林顿结构( Darlington),所以功率BJT也叫达林顿

42、晶体管。4.1.4 电力电子变换技术的发展从电力电产变换器输入和输出的交直流关系来说，通常有四种形式:AC/DC(交流到直流）-整流，DC/AC(直流到交流)-逆变,DC/DC（直流到直流)一斩波，AC/AC（交流到交流)一交流调压或周波变换，如图4-6所示。4.2电子技术的特点它是从电气工程(EE)中3大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。4.3电力电子技术的研究内容从以下8个方面介绍电力电子技术的研究内容：电力半导体器件;变换器电路结构与设计;控制与调节;电力电子技术中的储能元件;电力半导体器件的封装与制造;电磁干扰和电磁兼容;电机控制;电力稳定与电能质量控制。4.3.

43、6电磁干扰和电磁兼容电力电子技术以控制电子开关的导通和断开为基本工作形态。控制导通时,电子开关两端的电压从外加电压值下降至接近0，流过电子开关的电流从0上升至负载电流：控制断开时,电子开关两端的电压和流过电子开关的电流变化反之。这说明电力电子技术是以du/dt和di/dt方式工作的。而du/dt和di/dt就是电磁干扰的本质。显然,电力电子系统工作时,就是一个大的电磁干扰源。因此,电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是其中重要内容之一。4.7.2直流电机传动直流电机,既可作发电机用,又可作电动机用。通以直流电而产转动机械能的运行方式为直流电动机工作方式;施加转动机械能而发出直流电的运行方式为直

44、流发电机工作方式。直流电机传动主要是电动机运行方式,即通以直流电,使电机按照要求输出转矩和转速。直流电机传动在制动时,电机可以是发电机运行方式,发出直流电,把旋转机械能变成电能回馈到直流电网中。直流电机有两个独立的磁通源,且一般情况下两个磁通源相互正交(垂直)。一个磁通源用于建立电机主磁场,也称励磁磁通,由定子上的励磁绕组产生;另一个磁通源由转子绕组的电流产生。通以电流的转子绕组在主磁场作用下受力,带动转子旋转。转子绕组也称电枢绕组,转子电流也称电枢电流。这两个独立的磁通源可以独立控制,也可以某种形式的组合控制。直流传动电机两端电压的调节根据供电电源是交流电源还是直流电源,分为AC/DC的整流

45、方式和DC/DC的直流斩波方式。对于AC/DC的整流方式,电机两端电压的调节主要有相控方式和脉宽调制( Pulse Width Modulation,PWM)方式两种。如图4-29所示是二极管全波整流桥、相控整流桥和PWM整流桥三种AC/DC整流方式的电压波形的对比。直流传动调速非常方便,但直流电机的电刷和机械换向器给直流传动带来了诸多不便和限制。首先,机械换向器和电刷的存在,给直流电机带来了很大的维修量和维修成本。其次是机械换向器虽然损耗和功率密度不大,但是对于换向器片间电压、换向电流和电机转速有严格限制。一般地,直流电机的最高电压限制在1500V左右,相应地,最大功率不超过800kW。直流

46、电机还不能用在化学腐蚀和易于爆炸的环境中。4.7.3交流电机传动（参考书上内容）5.1高电压与绝缘技术的发展高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术,主要研究在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，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法,电力系统的过电压，高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施,以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展(如X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等)都有重大影响。5.2高电压与绝缘技术的主要内容高电压与绝缘技术学科研究高电压的产生,在高电压下绝缘介质及其系统的特性，

47、电气设备及绝缘,电气系统过电压及其限制措施,高电压试验技术,电磁环境及电磁污染防护,以及高电压技术的应用等,其主要内容可分为四部分:各类电介质在高电场下的特性,电气设备绝缘试验技术,电力系统过电压与绝缘配合,高电压技术在各个领域的应用等。5.2.1高电压的产生1、 雷电雷闪是自然界中的大气火花放电现象。当带电的雷云之间或雷云与大之间出现很高的电位差时,就会发生放电,放电会产生强烈的光和热,通道温度高达15000-20000度，使空气急剧膨胀震动,发出隆隆声响,形成雷闪(雷击)。雷击的电功率极大,雷电电流达100kA，云电压达1108V左右,功率为1010kW。但是,雷的能量所持续的时间非常短,平均电能在300KWh左右。因此，把雷