第六章第二节电能转换技术

第一节 发电、输电与配电第二节 电热转换与电热设备第三节 常用照明设备第四节 光纤传输第五节 电声转换器件第六节 电化学转换与光化学转换第七节 安全用电与节约用电第二节电能转换技术及供用电常识第一节 发电、输电与配电一、发电二、输电三、配电发电、输电、配电系统：电厂升压变压器输电线降压变压器配电站。发电、输电、配电系统图如下图所示。第一节 发电、输电与配电一、发电将其他形式的能量转换成电能的过程称为发电。

1．火力发电：

以煤为燃料，用煤将水加热变成高压蒸汽，冲动汽轮机作为原动机来带动三相交流发电机。

2．水力发电：利用水的势能带动水轮机，水轮机带动三相交流发电机发电。水电站投资大、建设时间长，但不需燃料、无污染、成本低，重要的是可以和水利枢纽工程相结合。

3．核能发电：以核反应堆代替煤锅炉，以核燃料代替燃煤。第一节 发电、输电与配电高压输电的优点：二、输电第一节 发电、输电与配电1．减小输电线路横截面，节省金属材料和架线成本。2．减少线中电阻造成的功率损耗。输电电压等级：电压高低与输电容量和距离有关，有10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV。配电：发电厂生产的电能经高压输电，送到目的地后，根据工厂或用户用电容量大小、电压的高低，用变压器降压后分配。三、配电电力负荷：配电的对象，也称用户。通常有动力用电设备、工艺用电设备、电热用电设备和照明用电设备。一级负荷：一旦中断供电，将造成人员伤亡或重大设备损坏且难于修复。通常采用双电源供电，对特别重要的一级负荷增设应急自备电源。电力负荷分级：第一节 发电、输电与配电二级负荷：中断供电后将导致大量产品报废或生产流程紊乱且需较长时间才能恢复的电力负荷单位。采用双电源供电，特别困难情况下才可用单回路专用架空线供电。三级负荷：一级、二级外的一般电力负荷。采用单回路供电。第二节 电热转换与电热设备一、电热转换原理二、电热设备的使用（一）电阻式电热转换一、电热转换原理

利用电阻发热将电能转换成热能而制成的电热器具。如电饭锅、电熨斗、电炉、空间加热器、电灶、电烤箱。利用电能加热某些红外辐射物质，利用其辐射出的红外线来达到加热特制的目的。如红外式取暖炉、红外电烤箱。（二）红外式电热转换第二节 电热转换与电热设备

（三）感应式电热转换将导体置于交变磁场中，感应电流在导体内部克服内阻流动时产生热量，如电磁灶、感应炉。

（四）微波式电热转换选用微波照射被加热物质，使其内部分子运动加速而发热，如微波炉。第二节 电热转换与电热设备（一）电饭锅

1．结构自动恒温式电饭锅基本结构如下图所示。二、电热设备的使用磁钢限温器：饭被煮熟时自动断电。第二节 电热转换与电热设备双金属恒温器：自动保温，低于保温温度时闭合，高于65C时自动断开。

 2．工作原理

 （1）自动恒温式电饭锅电路原理图。第二节 电热转换与电热设备（2）工作原理

T<65C时：S1、S2都闭合，开始加热。65C<T<（1032）C：S1闭合，加热。

T>（1032）C：S1、S2都断开，停止加热。

T<65C时：S2又闭合，开始加热。设电饭锅的温度为T

T小于[（1032）C]：S1闭合，不能自动复位。

T小于65C：S2闭合。S1、S2只要有一个闭合加热器就开始加热。（3）工作过程第二节 电热转换与电热设备

1．交直流串励式电吹风结构如下图所示。（二）电吹风第二节 电热转换与电热设备

2．工作原理选择开关同时接通电动机电路和电热丝电路时，从进风口吸入冷空气，经电热丝加热，从出风口送出热风。选择开关接通电动机电路，断开电热丝电路时，吹出冷风。第二节 电热转换与电热设备限温自动控制元件用于防止温度过高。电吹风控制电路如右图所示。（三）电焊机1．工作原理电焊机主要部件为电焊变压器，它将高压小电流变成低压大电流，利用空气间隙形成的高阻值产生高热，燃起电弧使金属熔化。2．结构常用交流电焊机外形如右图所示。第二节 电热转换与电热设备电焊变压器铁心如右上图所示。旋动右上图中的调节手柄，可改变可调铁心与固定铁心的相对位置，从而调节焊接电流的大小。也可通过在接线板上调节副绕组匝数来实现，其装置如右下图所示。第二节 电热转换与电热设备（四）高频感应炉

高频感应炉用于冶金工业中完成金属的冶炼，其结构如右图所示。

工作原理：高频交流电流在线圈内产生高频交变磁场，高频感应炉内被冶炼的金属因电磁感应则产生很强的涡流，释放出大量的热量而使金属熔化。第二节 电热转换与电热设备一、白炽灯原理及线路第三节 常用照明设备二、荧光灯原理及线路三、其他常用照明设备一、白炽灯原理及线路白炽灯俗称灯泡，是利用电流通过高熔点钨丝后，使之发热到白炽状态而发光的电光源，其发光效率比较低。白炽灯有螺口式和插口式两种。其组成结构如下图所示。第三节 常用照明设备为确保安全，安装螺口灯泡时必须将火线经开关接到螺口灯头底座的中心接线端上。白炽灯的电路形式还有一只单连开关控制区一盏或多盏灯并与插座连接、两只单连开关控制两盏灯并与插座连接和用两只双连开关在两个地方控制一盏灯。

白炽灯的基本线路如下图所示。第三节 常用照明设备二、荧光灯原理及线路（一）普通荧光灯荧光灯的结构如下图所示。第三节 常用照明设备1．发光原理荧光灯管是一抽成真空后再充入少量氩气的玻璃管，在灯管两端各装有一个通电时能发射大量电子的灯丝。灯管内涂有荧光粉，管内还放有微量水银。当灯管的两个电极上通电后便加热灯丝发射电子，电子在电场的作用下逐渐达到高速碰撞汞原子，使其产生紫外线；紫外线照射到管壁的荧光粉上，使其激发出可见光。荧光灯的发光效率比白炽灯约高四倍，使用寿命长。第三节 常用照明设备作用：在启动时与启辉器配合，产生瞬时高压；工作时限制灯管中的电流。结构：单线圈式和双线圈式，外形如下图所示。

2．镇流器第三节 常用照明设备

启辉器的结构如右图所示。3．启辉器

作用：使电路接通，并能自动断开，相当于一个自动开关。电容的作用是避免启辉器两触片断开时产生火花烧坏触片和减弱荧光灯对无线电设备的干扰。第三节 常用照明设备线路接法如图所示。第三节 常用照明设备1．电子镇流直管式荧光灯（二）节能型荧光灯2．环形荧光灯这种荧光灯的镇流器是电子电路式，具有“镇流”和“高压脉冲”功能。其优点是节能、轻便、价格较低、发光效率高、安装简便。缺点是寿命短。采用电子镇流器，只是灯管呈环形，需配专用灯座。其外形如右图所示。第三节 常用照明设备3．U形荧光灯结构和原理同环形荧光灯，不同之处为灯管呈U形、外形小巧和可多只并排组装，节能效果好，发光强度大，显色性好，安装方便，其灯管如下图所示。第三节 常用照明设备4．H形荧光灯结构原理和特点同U形荧光灯，只是灯管呈H形，并配有专用灯座。如下图所示。1—桥；2—灯丝；3—引出线；4—灯头第三节 常用照明设备值得注意的是，H形荧光灯内部有电容器型（如图（a）所示）和启辉器型（如图（b）所示）两种不同的接线方式，在配用镇流器时，电容器型H灯管只能配用电子镇流器，启辉器型H灯管只能配用电感式镇流器。如果配错，将缩短灯管寿命，其接线如下图所示。第三节 常用照明设备三、其他常用照明设备高压汞灯又叫高压水银灯，是比较新型的电光源，由于工作时灯内的气压可达2~6个大气压，故称“高压”，其主要特点是光效高、寿命长。在广场、车站、码头、工地及道路上被广泛应用。（一）高压汞灯第三节 常用照明设备高外镇流式高压汞灯基本结构如右图所示。管内充有一定量的汞和少量氩气。1．外镇流式高压汞灯（1）结构第三节 常用照明设备外镇流式高压汞灯电路如下图所示，比白炽灯多串一个镇流器。（2）外镇流式高压汞灯的安装安装时注意选用配套的瓷质灯座和镇流器。第三节 常用照明设备自镇流式高压汞灯线路简单、安装方便、效率高、光色好，但寿命短，不耐震。2．自镇流式高压汞灯与外镇流式高压汞灯相比无需外加镇流器，在石英放电管外圈串联了一段供镇流用的钨丝代替镇流器，它不仅帮助灯泡点燃，同时还起降压限流和改善光色的作用。结构如右图所示。第三节 常用照明设备4．高压汞灯使用注意事项（1）安装前分清是自镇流式还是外镇流式。3．高压汞灯的选用高压汞灯是强光源，规格不同，发光强度不一样。在设计安装时应根据照明场所的大小和所需照度选择高压汞灯的功率。第三节 常用照明设备（2）灯泡应垂直安装。（3）功率偏大时应装散热设备。（4）玻璃壳破碎后应尽快更换。（5）电压波动大的电路不适合使用。

热体发光光源，发光强度大，光色好，辨色率高。（二）碘钨灯1．基本结构基本结构如下图所示。第三节 常用照明设备2．碘钨灯的安装

碘钨灯的电路与白炽灯相同，电路如右上图所示。

碘钨灯在工作时温度很高，在安装时要考虑散热，使用专用的灯架，其安装图如右下图所示。

应该注意灯管的安装必须保持水平状态，要求倾角不得大于4，灯架固定安装时，离地高度不应小于6m。第三节 常用照明设备3．碘钨灯使用注意事项（1）电源电压的波动一般不应超过2.5%。第三节 常用照明设备（2）使用中禁止采用人工冷却措施。（3）不应作移动光源使用。（4）电源线必须用耐高温的绝缘线，电源与灯管引出脚的连接一般用良好瓷接头。一、光导纤维的基本结构及分类第四节 光纤传输二、光纤传输简单原理三、光纤传输的应用1．光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质，其结构如右上图所示。第四节 光纤传输一、光导纤维的基本结构及分类

纤芯高度透明且折射率比包层折射率高，光在纤芯内以全反射方式沿光纤传输。

在工程上实际安装和敷设时常使用由若干根光纤组成的光缆，其结构如右下图所示。

按材料不同：石英系列光纤、玻璃纤维光纤、塑料包层光纤、全塑光纤。2．分类第四节 光纤传输

按纤芯折射率的分布规律：阶跃折射率型、渐变折射率型。

按光纤传输的电磁波模式：单模光纤、多模光纤。（一）多模阶跃折射率型光纤中光的传输二、光纤传输简单原理

在多模阶跃折射率型光纤的纤芯中，光按直线以全反射方式传输，如图所示。

这种传输方式中，入射角不同的光线的传输路径不同，到达终端的时间也不同，其传输带宽一般小于200MHzkm。第四节 光纤传输（二）多模渐变折射率型光纤中光的传输

在多模渐变折射率型光纤中的折射率是连续变化的，适当地选择折射率的分布形式可以使不同入射角的光线有大致相等的光程，其传输带宽可达3GHzkm，如下图所示。第四节 光纤传输（三）单模阶跃折射率型光纤中光的传输

单模阶跃折射率型光纤的传输频带很大，在3GHzkm以上，成本最小，其传输如下图所示。第四节 光纤传输三、光纤传输的应用

光纤广泛用于广域网、通信设备、信号测量、光电技术、仪器仪表等领域，成为电信网中重要的传输手段。第四节 光纤传输一、电动式扬声器的结构第五节 电声转换器件二、电动式扬声器的电声转换原理一、电动式扬声器的结构

电声转换器件：将电信号转换成声音信号的器件。

电动式扬声器又称“动圈式扬声器”，主要由磁路系统、振动系统和支撑辅助系统组成，其结构如下图所示。第五节 电声转换器件1．磁路系统

由环形永久磁铁、上导磁板、下导磁板、导磁柱等组成。2．振动系统

由音圈、锥形纸盆、定心支片组成。音圈正好处于磁隙中间，前端与纸盆及定心支片连接，并由定心支片确定其位置。锥形纸盆的折环边缘粘宾在盆架上并用压边压紧。3．支撑辅助系统

由盆架、折环、接线板、压边、防尘罩、焊片、引出线等组成。当音圈通电而振动时，弹性的支撑系统随之振动；断电时，支撑系统恢复到静态位置。第五节 电声转换器件4．纸盆第五节 电声转换器件

扬声器的放声性能与纸盆的面积、重量、刚性、形状密切相关。电动式扬声器的标称尺寸是指盆架前视横截面积的最大直径，而有效直径是指纸盆运动部分前视截面积的直径。如100mm、165mm、200mm、250mm、300mm，用英寸表示则为4英寸、

英寸、8英寸、10英寸、12英寸等。二、电动式扬声器的电声转换原理

音圈在磁场中的受力情况如右图所示。

图中间是圆柱形的N极，环形气隙内是音圈，表示电流流入，⊙表示电流流出，F表示此时的受力方向向上，若改变电流方向，受力方向也将随之改变，这样随着电流大小和方向的变化，音圈就会在空气隙中来回振动，振动频率为电流的变化频率。若将音圈固定在一个纸盆上并输入音频电流，则纸盆在音圈的带动下产生振动并向周围空间辐射声波，从而实现了电能和声能之间的转换。第五节 电声转换器件一、电化学转换与化学电池及其应用第六节 电化学转换与光化学转换二、光电效应与光电池三、光化学转换与光电池一、电化学转换与化学电池及其应用

1．结构

电化学效应：电能和化学能可以相互转换。第六节 电化学转换与光化学转换

电解：电解液在外电动势的作用下产生电流，将电能转化为化学能；当外电源去掉接上负载后，电解液双与电极产生化学反应对外负载供电，将化学能转化成电能。下面以铅酸蓄电池为例简单介绍化学电池的基本原理。单体铅酸蓄电池结构如下图所示。

正极板上有活性物质二氧化铅，负极板上有活性物质海绵状金属铅，正负极板都浸在一定浓度的硫酸溶液中。第六节 电化学转换与光化学转换2．原理当电池接上外负载后，在正、负极板上发生化学反应，将化学能转化为电能，放电完后在正、负极板上形成硫酸铅。电池外接电源时，正极板上还原出二氧化铅，负极板上还原出铅，将电能又转化成化学能储存起来。3．化学电池的种类和用途

一次电池：放电后不能再充电使用的电池，主要用于日常生活中低功率和中等功率放电。第六节 电化学转换与光化学转换

储备电池：是指在使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的电池。可作为心脏起搏器电源、导弹电源等。

燃料电池：将活性物质连续注入电池，并连续放电的电池。适合于长时间连续工作的场合。

二次电池：充放电可反复多次循环使用的电池，主要用于较大功率放电的场合，如汽车、人造卫星等。二、光电效应与光电池

光电效应：物质在强光或其他射线的照射下逸出光电子形成光电流或电阻值发生显著变化的现象。利用光电效应可制成光电池，下面介绍硅光电池的原理及应用。

1．硅光电池的结构如图所示。

PN结在一定强度和频率的光线照射下将产生电动势，P区形成高电位为电池正电极，N区形成低电位为电池负电极。第六节 电化学转换与光化学转换三、光化学转换与光电池

2．光电池可作为光纤通信系统光接收机中的光电检测器，也可利用光电转换实现对系统及执行机构的光电控制，还可将太阳的光能转换成电能。

光化学转换：光能转换成化学能，如半导体在光照射下吸收能量而使氧化能力增强。第六节 电化学转换与光化学转换

光电池：光能转换成化学能，化学能转换成电能，利用这种转换原理制成的电池。只要把适当半导体电极插入相应的电解溶液中即可制成。一、安全用电常识第七节 安全用电与节约用电二、节约用电一、安全用电常识（一）电流对人体的危害

人体因接触或接近带电体，所引起的局部受伤或死亡的现象称触电。根据伤害程度的不同，触电可分为电伤和电击两种。第七节 安全用电与节约用电电伤是指人体外部受伤，如电弧灼伤、与带电体接触后的皮肤红肿以及在大电流下熔化而飞溅出的金属（包括熔丝）末对皮肤的烧伤等。电击是指电流通过人体而使内部器官受伤的现象，人体常因电击而死亡，它是最危险的触电事故。触电对人的伤害程度，与流过人体的电流的频率、大小、途径，时间及触电者本人的情况有关。研究证明，频率为40~60Hz的电流最危险。通过人体超过50mA的工频电流，且通电时间超过1s时，就会使人有生命危险；而且当电流通过心脏和大脑时，人最容易死亡，人体通电时间越长危险性越大。在人体所处于的一般环境下，当接触36V以下电压时，通过人体的电流一般不超过50mA，故把36V称为安全电压。但若在潮湿场所或在金属构架上工作，安全电压等级还要降低，通常为24V或12V，可见安全电压是和人体所处于的环境有关。触电伤人的主要因素是电流，但电流的大小又取决于作用到人体上的电压和人体的电阻。通常人体电阻为几百至几万欧不等（与皮肤干燥程度，接触面积等因素有关）。第七节 安全用电与节约用电

（二）人体触电的形式1．单相触电

人体的一部分接触带电体时，另一部分与大地或中性线相接，电流从带电体流经人体到大地形成回路，这种触电称为单相触电。如右图所示。第七节 安全用电与节约用电在中性点不接地系统中，由于导线对地有电容存在，线路电容电流可以经人体构成通路，造成触电，如下图所示。第七节 安全用电与节约用电2．两相触电第七节 安全用电与节约用电

如果人体的不同部位同时接触两相电源带电体，所引起的触电称两相触电。这时人体所承受的电压是380V，将比单相触电时的220V电压要高，危害更大。

两相触电如右图所示。

（三）接地和接零在正常情况下，电气设备的外壳是不带电的，倘若绝缘损坏或带电的导体碰壳，则出现外壳带电的故障，这种故障称为漏电。设备漏电时，若有人触及该设备的金属外壳，就可能发生触电事故。为了防止触电，电气设备的金属外壳必须采取一定的防范措施，其方法是将供电系统及电气设备接地极直接埋在大地中，接地电阻应小于4。常见的保护措施有工作接地、保护接地和保护接零，如下图所示。第七节 安全用电与节约用电第七节 安全用电与节约用电1．工作接地如下右图所示，将电力系统中的电力变压器三相绕组的中性点接地，以降低触电电压，由线电压降为线电压。在该系统中，各相对地的电压都接近相电压，降低了电气设备和输电线对地绝缘水平，从而降低了设备成本。

2．保护接地保护接地是在电源中性点不接地的低压供电系统中，将电气设备的金属外壳通过接地线与接地体（埋入地下的金属导体）可靠地联接。如果电气设备采用保护接地，设备外壳已通过导线与大地有良好的接触。当人体触及漏电的外壳时，人体相当于接地电阻的一条并联支路。由于人体的电阻远远大于接地电阻，所以通过人体的电流很小，避免了触电事故，如右图所示。第七节 安全用电与节约用电

3．保护接零

保护接零简称接零，是指电源中性点接地的供电系统中，将电气设备的金属外壳与电源中性线（零线）可靠连接，如下图所示。

如果电气设备漏电致使其金属外壳带电时，设备外壳将与中性线之间形成良好的电流通路。这时，若有人接触设备金属外壳，由于人体电阻远大于设备外壳与零线之间的接触电阻通过人体电流必然很小，也排除了触电危险。第七节 安全用电与节约用电

单相用电器使用三脚插头和三孔插座时，电器的外壳应用导线与插头上最粗插脚相连，绝对不允许把电器外壳直接与用电器的中性线相连，否则可能引起触电事故，下图所示为单相用电器外壳接中性的正确接法与错误接法的对比。第七节 安全用电与节约用电

（四）安全用电常识

（1）不能私拉乱接电线、私用电炉。第七节 安全用电与节约用电（2）更换熔丝时，应先切断电源。（3）各种电气设备的金属外壳，必须加接良好的保护接地。（4）不允许私自装拆电线和电气设备，以免触电赞成短路事故。（5）电线上不能晒衣服，不能让金属丝靠近或与电线交叉。（6）拆开的或断裂的裸露带电接头，必须及时用绝缘物包好并置放到人身不易碰到的地方。

（7）不能在架空线路和户外变电所附近放风筝、钓鱼，不能随意攀登电杆和变压器杆塔。（8）当有数人进行电工作业时，应于接通电源前通知他人。第七节 安全用电与节约用电（9）不得把36V以上的照明灯作为机床上或其他需安全照明的地方使用