电工新技术PPT课件

1、电气工程专业导论1新理论、新原理新材料新技术等离子体物理放电物理电磁流体力学直线电机超导材料永磁材料半导体材料微电子计算机放电应用核聚变磁流体发电磁流体推进磁悬浮列车超导电工永 磁电机与 磁体光电应用电力电子微 电子 专用 设备数控与机电控制电工装置CAD电 磁场 数值 计算 基础主要分支图6-1 电工新技术的分类第1页/共114页电气工程专业导论2图6-2 液氦温区低温超导材料NbTi导线第2页/共114页电气工程专业导论3图6-3 液氮温区高温超导材料Bi系带材第3页/共114页电气工程专业导论41911年荷兰科学家昂纳斯（H. Kamerlingh Onnes）在测量低温下水银电阻率的时

2、候发现，当温度降到-269附近，水银的电阻突然消失。超导态的两个基本性质： 一是第4页/共114页电气工程专业导论5图6-4 超导体的完全抗磁性现象第5页/共114页电气工程专业导论6 图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）第6页/共114页电气工程专业导论7图6-6 5MW船用高温超导推进电动机第7页/共114页电气工程专业导论8图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图第8页/共114页电气工程专业导论9图6-8 300kW超导单极电动机（武汉712所等）图6-9 由超导电动机作动力的吊舱式螺旋推进器（图片来源：ABB公司）第9页/共114页电气工程专业导论10 图6-

3、10 500kW, 6600/3300V高温超导变压器（日本）图6-11 26kW高温超导变压器（中国科学院电工研究所等）第10页/共114页电气工程专业导论11 图6-12 2000A高温超导电缆结构云电英纳超导电缆公司第11页/共114页电气工程专业导论12图6-13 30m长、35kV、2kA高温超导电缆云电英纳超导电缆公司第12页/共114页电气工程专业导论13 图6-14 超导储能装置的储能线圈图6-15 2 MJ超导储能设备（德国）第13页/共114页电气工程专业导论14 图6-16 日本超导磁悬浮列车第14页/共114页电气工程专业导论15 超导在电气工程领域的其他应用 超导电磁

4、线圈：应用于托克马克装置、磁流体发电机等； 超导磁悬浮轴承：无机械摩擦，稳定好。p 第15页/共114页电气工程专业导论16第16页/共114页电气工程专业导论17图6-17 托克马克装置原理（环形核聚变反应装置）第17页/共114页电气工程专业导论18图6-18 基于托克马克的核聚变电站原理第18页/共114页电气工程专业导论19第19页/共114页电气工程专业导论20图6-19 磁流体发电原理与试验装置（日本）第20页/共114页电气工程专业导论21图6-20 磁流体发电用超导磁体（中国科学研究院电工研究所）第21页/共114页电气工程专业导论22图6-21 日本超导磁流体推进船第22页/

5、共114页电气工程专业导论23 （a） （b）图6-22 等离子推进器（a）结构示意图 （b）“SMART-1 号”探测器等离子推进器的喷口第23页/共114页电气工程专业导论24图6-23 风力发电站与电力系统并网第24页/共114页电气工程专业导论25图6-24 海上风力发电机正在安装（丹麦）第25页/共114页电气工程专业导论26主要有三种： 一是使太阳能直接转变成热能，即光热转换， 如太阳能热水器； 二是使太阳能直接转换成电能，即光电转换， 如太阳能电池； 三是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换， 如太阳能发电机。 1945年，美国贝尔电话实验室制造除了世界上第一块 实用的硅太阳能

6、电池，开创了现代人类利用太阳能的 新纪元。第26页/共114页电气工程专业导论27图6-25 太阳能发电的四种方式（a）槽型抛物面（b）菲涅耳透镜（c）盘形抛物面-中心接受器（d）分布平面塔式接收器第27页/共114页电气工程专业导论28图6-26太阳能热发电站图6-27 塔式太阳能热电站 原理示意图第28页/共114页电气工程专业导论29图6-28 太阳能光伏电池阵第29页/共114页电气工程专业导论30 超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子图6-29 磁悬浮列车分类第30页/共114页电气工程专业导论31 图6-30 日本超导磁悬浮列车

7、的转向架图6-31 日本超导磁悬浮列车 的导轨结构第31页/共114页电气工程专业导论32 图6-32 Transrapid原理第32页/共114页电气工程专业导论33 图6-33 日本名古屋常导磁悬浮列车（Linimo）第33页/共114页电气工程专业导论34 图6-34 德国柏林永磁半悬浮列车第34页/共114页电气工程专业导论35燃料电池的雏形是1839年由英国科学家格罗夫（William Robert Grove，1811-1896）提出的（当时称为“气体伏打电池”）。图6-35 燃料电池的外部结构图第35页/共114页电气工程专业导论36图6-36 为计算机供电的燃料电池第36页/共

8、114页电气工程专业导论37p 第一代燃料电池，碱性燃料电池，效率最高，但成本昂贵；p 第二代燃料电池，磷酸型燃料电池，技术先进，实用；p 第三代燃料电池，熔融碳酸盐型（MCFC）电池，效率比磷酸 型高，燃料也不仅仅限于氢气，是一种大容量发电燃料 电池；p 第四代燃料电池，固体电解质型燃料电池（SOFV），性能优 良，电解是固体，因此免去了腐蚀和溢漏的危险；p 第五代燃料电池，聚合物电解质型薄膜燃料电池（PEMFC）， 与氢能源关系十分密切；p 最近又出现了生物燃料电池，具有功率大，体积小，效率 高，成本低等优点。第37页/共114页电气工程专业导论38图6-37 瑞士1955年试制的 飞轮储

9、能轨道试验车图6-38 飞轮储能系统第38页/共114页电气工程专业导论39p 飞轮储能的应用 电力调峰 电动车辆飞轮电池 飞轮储能-再生制动系统 风力发电系统不间断供电 卫星姿态控制 大功率脉冲放电电源 其他应用第39页/共114页电气工程专业导论40图6-39 电力系统中的飞轮储能装置 第40页/共114页电气工程专业导论41 图6-40 英国Bristol的新型 纯飞轮供电有轨车第41页/共114页电气工程专业导论42 图6-41 德国采用飞轮储能装置 的LIREX混合动力轻轨列车图6-42 美国内燃机发电机-飞轮 储能混合动力公交车ATTB第42页/共114页电气工程专业导论43图6-

10、43 轨旁飞轮储能再生制动系统第43页/共114页电气工程专业导论44 图6-44 卫星姿态控制用飞轮系统第44页/共114页电气工程专业导论45 图6-45 航天飞机电磁发射示意图第45页/共114页电气工程专业导论46脉冲功率技术的基础是冲击电压发生器，也叫马克斯发生器或冲击机，是德国人马克斯（E.Marx）在1924年发明的。图6-46 马克斯发生器第46页/共114页电气工程专业导论47目前，脉冲功率技术的发展方向是提高功率水平，具体的主攻方向是：提高储能密度，研制大功率和高重复率的转换开关，向着高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。脉冲功率技术的应用： 强激光的研究 强脉冲X射

11、线 核电磁脉冲 高功率微波武器电磁炮第47页/共114页电气工程专业导论48轨道炮线圈炮磁悬浮发射器 磁悬浮加速托架磁悬浮间隙电枢线圈 驱动线圈 电枢（等离子体）电流图6-47 电磁发射装置第48页/共114页电气工程专业导论49图6-48 国外研制的电磁炮第49页/共114页电气工程专业导论50（Micro Electro-Mechanical Systems， MEMS），是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微米（10e-6m）尺寸微型机电系统。第50页/共114页电气工程专业导论51

12、图6-49 微机电系统电机和一根头发的对比（显微图）图6-50 微机电系统继电器（放大图）第51页/共114页电气工程专业导论52图6-51 微机电系统陀螺仪第52页/共114页电气工程专业导论53图6-52 封装好的微机电系统产品第53页/共114页电气工程专业导论54图6-52 微机电系统卫星（概念图） 第54页/共114页电气工程专业导论55第55页/共114页电气工程专业导论56第56页/共114页电气工程专业导论57第57页/共114页电气工程专业导论58Liquid Helium region low temperature superconductive material NbT

13、i wire第58页/共114页电气工程专业导论59Liquid Nitrogen region high temperature superconductive materialBi series tapes第59页/共114页电气工程专业导论60 A momentous discovery by Dutch scientist in 1911, that the resistance of the mercury turned to zero when the temperature below -269. It is a phenomenon displayed by some mate

14、rials when they are cooled below a certain temperature, known as the superconducting critical temperature, Tc. : high Tc superconductor Below Tc, superconducting materials exhibit two characteristic properties:Zero electrical resistance;Full diamagnetism (Meissner Effect). When the superconductor be

15、low its critical temperature，and a magnet is brought near to it, the inner magnetic field intensity of the superconductor is completely expelled to zero, behaving as a full diamagnet.第60页/共114页电气工程专业导论61 Meissner EffectA superconductive disk on the bottom, cooled by liquid nitrogen, causes the magne

16、t above to levitate. The floating magnet induces a current, and therefore a magnetic field,in the superconductor, and the two magnetic fields repel to levitate the magnet.第61页/共114页电气工程专业导论62 83 MW superconducting rotor and its test plant (Japan)第62页/共114页电气工程专业导论635MW HTS ship propulsion motor第63页/

17、共114页电气工程专业导论645MW HTS ship propulsion motor structures第64页/共114页电气工程专业导论65300kW superconducting homopolar motor（712 institute of Wu Han, China）Superconducting motor podded propeller第65页/共114页电气工程专业导论66 500kW, 6600/3300VJapan HTS transformer26kW HTS transformer(Institute of electrical engineering Ch

18、inese academy of science)第66页/共114页电气工程专业导论67 2000A HTS cableInnopower superconductor cable Co., Ltd., Beijing第67页/共114页电气工程专业导论6830m length、35kV、2kA HTS cables system第68页/共114页电气工程专业导论69 SMES coilGermany 2 MJ SMES第69页/共114页电气工程专业导论70 Japan superconducting Maglev train第70页/共114页电气工程专业导论71 Applicatio

19、ns in electrical engineering Superconducting coil: Tokamak device, Magnetohydrodynamic Power Generation Superconducting Maglev bearing: No mechanical friction, Steadyp 第71页/共114页电气工程专业导论72第72页/共114页电气工程专业导论73Principle of Tokamak device(Toroidal nuclear fusion device)Deuterium-Tritium-Helium 第73页/共11

20、4页电气工程专业导论74Tokamak fusion reactor power plant第74页/共114页电气工程专业导论75第75页/共114页电气工程专业导论76Principle diagram of MHD power generator and test devices第76页/共114页电气工程专业导论77Superconducting magnet of MHD power generator(Institute of electrical engineering Chinese academy of science)第77页/共114页电气工程专业导论78Japan su

21、perconducting MHD propulsion ship第78页/共114页电气工程专业导论79 （a） （b）Plasma MHD propeller（a）Structure sketch map （b）Propeller spout of “SMART-1” detector第79页/共114页电气工程专业导论80Wind power plant and grid connected第80页/共114页电气工程专业导论81Offshore wind power generation being installed（Denmark）第81页/共114页电气工程专业导论82Three

22、 principles： 1）Photothermal conversion, using the sun to heat water and produce steam to run electrical turbines, such as solar water heater; 2）Photoelectric conversion, converting solar energy to DC electricity, such as solar cells; 3）Photochemical conversion, chemical energy being generated from s

23、olar energy. Four methods to collect solar energy, showed in the figures as follows: 第82页/共114页电气工程专业导论83Four methods of solar generation(a) Parabolic trough (b) Fresnel lens (c) Solar dishes (d) Solar power towers 第83页/共114页电气工程专业导论84Solar thermal power stationSolar power tower sketch map第84页/共114页

24、电气工程专业导论85Solar photovoltaic arrays (PV arrays)第85页/共114页电气工程专业导论86 超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子Maglev trains classification第86页/共114页电气工程专业导论87 are two types of Maglevs: ones that use like magnets which repel each other and ones that use opposing magnets that attract with each other

25、. Ones that use repelling magnets are called Superconducting Maglevs, while Electromagnetic Maglevs use opposing magnets.How does a Maglev Train work?Each project is developing its own version of Maglev but the main difference rests on the way the magnetic field is generated.u The German model and t

26、he Japanese HSST (High Speed Surface Transport) use Electromagnetic Suspension (EMS). China in its Shanghai Maglev uses German technology. EMS uses the attractive magnetic force of a magnet beneath a rail to lift the train up. u The Yamanashi Maglev (Japan) and the projected Florida Maglev use Elect

27、rodynamic Suspension (EDS). EDS uses a repulsive force generated by the interaction between the magnetic fields in the train and the rail to push the train away from the track. u The project in Los Angeles (Indutrack) uses Permanent Magnet EDS. 第87页/共114页电气工程专业导论88 Superconducting Maglev bogieSuperc

28、onducting Maglev track第88页/共114页电气工程专业导论89 Principle of Transrapid第89页/共114页电气工程专业导论90 Normal conducting maglev-Linimo in Nagoya, JapanHSST: High Speed Surface Transport第90页/共114页电气工程专业导论91 Berlin permanent magnet half levitating train, Germany第91页/共114页电气工程专业导论92British physicist William Robert Gro

29、ve, 1811-1896, produced the first fuel cell in 1839 ( called “Gas Voltaic battery” at that time).Fuel cell exterior structure第92页/共114页电气工程专业导论93Fuel cell as Computer power supply第93页/共114页电气工程专业导论94 p First generation, alkaline fuel cell (AFC), high efficiency but cost much;p Second, phosphoric aci

30、d fuel cell (PAFC), advanced and very practical;p Third, molten carbonate fuel cell (MCFC), higher efficiency than PAFC, used to generate strong power;p Fourth, solid oxide fuel cell (SOFC), used solid electrolyte, avoids the danger of electrolytes corrosion and leakage;p Fifth, proton exchange memb

31、rane fuel cell (PEMFC), closely related to hydrogen energy;p In recently, there appeared a new type fuel cell called microbial fuel cell (MFC), large power, small size,and high efficiency.第94页/共114页电气工程专业导论95Switzerland flywheel energy storage track test vehicle in 1955Flywheel energy storage system

32、第95页/共114页电气工程专业导论96p Applications Power grid peak shaving Electric vehicles flywheel battery Flywheel energy storage-regenerative braking system Wind power generation systems uninterrupted power supply Satellite attitude control Discharging pulsed high power supply Other applications第96页/共114页电气工程专

33、业导论97Flywheel energy storage device in power system 第97页/共114页电气工程专业导论98 Bristol new tramcars with flywheel power supply第98页/共114页电气工程专业导论99 Germany hybrid power light rail train “LIREX” with flywheel energy storageAmerica internal combustion engine generatorflywheel energy storage hybrid public tra

34、nsit “ATTB”第99页/共114页电气工程专业导论100Flywheel energy storage-regenerative braking system beside the track第100页/共114页电气工程专业导论101 Flywheel system of Satellite attitude control第101页/共114页电气工程专业导论102 Space shuttle electromagnetic launch第102页/共114页电气工程专业导论103Pulsed Power Technology developed from impulse voltage generator,also called Marx generator, originally described by German E. Marx in 1924.Marx