电气工程概论第六章电工新技术详解

电气工程概论第六章电工新技术ppt课件当前第1页\共有113页\编于星期六\10点新理论、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

一、电工新技术的发展趋势当前第2页\共有113页\编于星期六\10点二、超导电工技术图6-2液氦温区低温超导材料——NbTi导线

当前第3页\共有113页\编于星期六\10点二、超导电工技术（续）图6-3液氮温区高温超导材料——Bi系带材当前第4页\共有113页\编于星期六\10点超导现象

1911年荷兰科学家昂纳斯（H.KamerlinghOnnes）在测量低温下水银电阻率的时候发现，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：一是零电阻效应；二是完全抗磁性，又称迈斯纳（Meissner）效应，即在磁场中超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零，即磁力线完全被排斥在超导体外面。二、超导电工技术（续）当前第5页\共有113页\编于星期六\10点二、超导电工技术（续）图6-4超导体的完全抗磁性现象当前第6页\共有113页\编于星期六\10点二、超导电工技术（续）2.超导技术的应用

超导电机图6-583MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）当前第7页\共有113页\编于星期六\10点图6-65MW船用高温超导推进电动机当前第8页\共有113页\编于星期六\10点图6-75MW船用高温推进电动机结构图当前第9页\共有113页\编于星期六\10点图6-8300kW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）当前第10页\共有113页\编于星期六\10点

超导变压器图6-10500kW,6600/3300V高温超导变压器（日本）图6-1126kW高温超导变压器（中国科学院电工研究所等）当前第11页\共有113页\编于星期六\10点

超导输电图6-122000A高温超导电缆结构云电英纳超导电缆公司当前第12页\共有113页\编于星期六\10点图6-1330m长、35kV、2kA高温超导电缆云电英纳超导电缆公司当前第13页\共有113页\编于星期六\10点

超导储能图6-14超导储能装置的储能线圈图6-152MJ超导储能设备（德国）当前第14页\共有113页\编于星期六\10点

超导磁悬浮列车图6-16日本超导磁悬浮列车当前第15页\共有113页\编于星期六\10点

超导在电气工程领域的其他应用超导电磁线圈：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。

总之，超导电工已由最初的超导磁体技术扩展到了包括超导电力应用与强磁场应用等领域，随着低温超导技术和高温超导技术的不断发展，特别是如果实现了临界温度达到室温的实用超导体，将带来革命性的改观。

当前第16页\共有113页\编于星期六\10点三、聚变电工技术

与裂变反应堆主要依靠核工技术与热工技术的结合而发展起来的历史不同，聚变反应堆的发展主要依赖于核工技术与电工新技术的结合，因为需要的关键技术超导技术、大体积强磁场技术、大能量脉冲电源技术、辅助加热技术、等离子体控制技术都属于电工新技术。

当前第17页\共有113页\编于星期六\10点图6-17托克马克装置原理（环形核聚变反应装置）当前第18页\共有113页\编于星期六\10点图6-18基于托克马克的核聚变电站原理当前第19页\共有113页\编于星期六\10点四、磁流体发电技术

当前，世界各国的电力主要来源仍旧是火力发电，但这种

发电方式的热效率很低，最高只有40%。磁流体发电的热效率可以从火力发电的30-40%提高到50-60%甚至更高。磁流体发电是将高温导电燃气或液体与磁场相互作用而将热能直接转化为电能的新型发电方式。当前第20页\共有113页\编于星期六\10点图6-19磁流体发电原理与试验装置（日本）当前第21页\共有113页\编于星期六\10点图6-20

磁流体发电用超导磁体（中国科学研究院电工研究所）当前第22页\共有113页\编于星期六\10点五、磁流体推进技术

磁流体推进船图6-21日本超导磁流体推进船当前第23页\共有113页\编于星期六\10点

等离子磁流体航天推进器（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当前第24页\共有113页\编于星期六\10点风力发电图6-23风力发电站与电力系统并网六、可再生能源发电当前第25页\共有113页\编于星期六\10点图6-24海上风力发电机正在安装（丹麦）当前第26页\共有113页\编于星期六\10点太阳能发电

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电池，开创了现代人类利用太阳能的新纪元。当前第27页\共有113页\编于星期六\10点图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当前第28页\共有113页\编于星期六\10点图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当前第29页\共有113页\编于星期六\10点图6-28太阳能光伏电池阵当前第30页\共有113页\编于星期六\10点七、磁悬浮列车技术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磁悬浮列车分类当前第31页\共有113页\编于星期六\10点

日本超导磁悬浮列车图6-30日本超导磁悬浮列车的转向架图6-31日本超导磁悬浮列车的导轨结构当前第32页\共有113页\编于星期六\10点

德国常导磁悬浮列车Transrapid图6-32Transrapid原理当前第33页\共有113页\编于星期六\10点

日本常导磁悬浮列车HSST图6-33日本名古屋常导磁悬浮列车（Linimo）当前第34页\共有113页\编于星期六\10点

永磁磁悬浮列车图6-34德国柏林永磁半悬浮列车当前第35页\共有113页\编于星期六\10点八、燃料电池技术燃料电池的雏形是1839年由英国科学家格罗夫（WilliamRobertGrove，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当前第36页\共有113页\编于星期六\10点图6-36为计算机供电的燃料电池当前第37页\共有113页\编于星期六\10点第一代燃料电池，碱性燃料电池，效率最高，但成本昂贵；第二代燃料电池，磷酸型燃料电池，技术先进，实用；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；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；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；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。当前第38页\共有113页\编于星期六\10点九、飞轮储能系统图6-37瑞士1955年试制的飞轮储能轨道试验车图6-38飞轮储能系统当前第39页\共有113页\编于星期六\10点飞轮储能的应用

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

其他应用当前第40页\共有113页\编于星期六\10点图6-39电力系统中的飞轮储能装置

电力调峰当前第41页\共有113页\编于星期六\10点

电动车辆飞轮电池图6-40英国Bristol的新型纯飞轮供电有轨车当前第42页\共有113页\编于星期六\10点

飞轮储能-再生制动系统图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当前第43页\共有113页\编于星期六\10点图6-43轨旁飞轮储能再生制动系统当前第44页\共有113页\编于星期六\10点

卫星姿态控制图6-44卫星姿态控制用飞轮系统当前第45页\共有113页\编于星期六\10点

大功率脉冲放电电源图6-45航天飞机电磁发射示意图当前第46页\共有113页\编于星期六\10点十、脉冲功率技术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马克斯发生器当前第47页\共有113页\编于星期六\10点目前，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射线核电磁脉冲高功率微波武器电磁炮当前第48页\共有113页\编于星期六\10点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电磁发射装置当前第49页\共有113页\编于星期六\10点图6-48国外研制的电磁炮当前第50页\共有113页\编于星期六\10点十一、微机电系统微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems，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。当前第51页\共有113页\编于星期六\10点图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）当前第52页\共有113页\编于星期六\10点图6-51微机电系统陀螺仪当前第53页\共有113页\编于星期六\10点图6-52封装好的微机电系统产品当前第54页\共有113页\编于星期六\10点图6-52微机电系统卫星（概念图）当前第55页\共有113页\编于星期六\10点谢谢!当前第56页\共有113页\编于星期六\10点Chapter6NewTechnologyofelectrotechnics

当前第57页\共有113页\编于星期六\10点1.DevelopmentsofElectrotechnics1.TendenciesofElectrotechnics2.SuperconductorElectrotechnics3.NuclearFusionElectrotechnics4.MagnetohydrodynamicPowerGeneration5.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology6.RenewablePowerGeneration7.

MagneticLevitationTrain8.FuelCells9.FlywheelEnergyStorageSystems10.PulsedPowerTechnology11.MicroElectro-MechanicalSystems当前第58页\共有113页\编于星期六\10点2.SuperconductorElectrotechnicsLiquidHeliumregionlowtemperaturesuperconductivematerial–NbTi

wire

当前第59页\共有113页\编于星期六\10点LiquidNitrogenregionhightemperaturesuperconductivematerial-Biseriestapes当前第60页\共有113页\编于星期六\10点>>SuperconductingPhenomenon

AmomentousdiscoverybyDutchscientistH.KamerlinghOnnesin1911,thattheresistanceofthemercuryturnedtozerowhenthetemperaturebelow-269℃.Itisaphenomenondisplayedbysomematerialswhentheyarecooledbelowacertaintemperature,knownasthesuperconductingcriticaltemperature,Tc.

HTS:highTcsuperconductor

BelowTc,superconductingmaterialsexhibittwocharacteristicproperties:Zeroelectricalresistance;Fulldiamagnetism(MeissnerEffect).Whenthesuperconductorbelowit’scriticaltemperature，andamagnetisbroughtneartoit,theinnermagneticfieldintensityofthesuperconductoriscompletelyexpelledtozero,behavingasafulldiamagnet.当前第61页\共有113页\编于星期六\10点MeissnerEffectAsuperconductivediskonthebottom,cooledbyliquidnitrogen,causesthemagnetabovetolevitate.Thefloatingmagnetinducesacurrent,andthereforeamagneticfield,inthesuperconductor,andthetwomagneticfieldsrepeltolevitatethemagnet.当前第62页\共有113页\编于星期六\10点>>Applications

Superconductingmotor83MWsuperconductingrotor

andit’stestplant(Japan)当前第63页\共有113页\编于星期六\10点5MWHTSshippropulsionmotor当前第64页\共有113页\编于星期六\10点5MWHTSshippropulsionmotorstructures当前第65页\共有113页\编于星期六\10点300kW

superconductinghomopolarmotor（712instituteofWuHan,China）Superconductingmotorpoddedpropeller当前第66页\共有113页\编于星期六\10点

Superconductingtransformer500kW,6600/3300VJapanHTStransformer26kWHTStransformer

(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)当前第67页\共有113页\编于星期六\10点

Superconductingpowertransmission2000AHTScableInnopowersuperconductorcableCo.,Ltd.,Beijing当前第68页\共有113页\编于星期六\10点30mlength、35kV、2kAHTScablessystem当前第69页\共有113页\编于星期六\10点

Superconductingmagneticenergystorage(SMES)SMEScoilGermany2MJSMES当前第70页\共有113页\编于星期六\10点

Superconductingmagneticlevitatingtrain(Maglev)JapansuperconductingMaglevtrain当前第71页\共有113页\编于星期六\10点

Applicationsinelectricalengineering

Superconductingcoil:Tokamakdevice,Magnetohydrodynamic

PowerGeneration

SuperconductingMaglevbearing:Nomechanicalfriction,Steady

Inshort,superconductingelectrotechnicshasgainedadvanceddevelopmentfromsuperconductingmagnettosuperconductingpowerapplicationsfields.WiththedevelopmentofLTSandHTStechnology,somebadlyexpectedpracticalhouseTcsuperconductorswillbefounded.Oncethishappens,thewholeworldofelectronics,powerandtransportationwillberevolutionized.当前第72页\共有113页\编于星期六\10点3.NuclearfusionelectrotechnicsIncontrasttonuclearfissionreactor,whichbasedontheintegratingwithNuclearandheatengineeringtechnology,thecombinationwithnewtechnologyofelectrotechnicsisthemainstreamtoresearchfusionreactor,suchassuperconducting,strongmagneticfield,highpulsedpower,assistantheating,plasmatechnology.当前第73页\共有113页\编于星期六\10点PrincipleofTokamakdevice(Toroidalnuclearfusiondevice)Deuterium-Tritium-Helium

当前第74页\共有113页\编于星期六\10点Tokamakfusionreactorpowerplant当前第75页\共有113页\编于星期六\10点4.Magnetohydrodynamic(MHD)PowerGeneration

Atpresent,theefficiencyofcoal-firedpowergeneratingispoorabout30-40percent,whileMHDpowergenerationcouldreaches50-60percentorevenhigher.

MHDpowergenerationisthatanewmethodtogenerateelectricpowerfromheatenergybyinteractionsbetweenhotgasorliquidandmagneticfield.当前第76页\共有113页\编于星期六\10点PrinciplediagramofMHDpowergeneratorandtestdevices当前第77页\共有113页\编于星期六\10点SuperconductingmagnetofMHDpowergenerator(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)当前第78页\共有113页\编于星期六\10点5.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology

MagnetohydrodynamicpropulsionshipJapansuperconductingMHDpropulsionship当前第79页\共有113页\编于星期六\10点

PlasmaMagnetohydrodynamicspaceflightpropeller（a）（b）PlasmaMHDpropeller（a）Structuresketchmap（b）Propellerspoutof“SMART-1”detector当前第80页\共有113页\编于星期六\10点

WindpowergenerationWindpowerplantand

gridconnected6.RenewablePowerGeneration当前第81页\共有113页\编于星期六\10点Offshorewindpowergenerationbeinginstalled（Denmark）当前第82页\共有113页\编于星期六\10点

Solarpowergeneration

Threeprinciples：

1）Photothermalconversion,

usingthesuntoheatwaterandproducesteamtorunelectricalturbines,suchas

solarwaterheater;

2）Photoelectricconversion,convertingsolarenergytoDCelectricity,suchassolarcells;

3）Photochemicalconversion,chemicalenergybeinggeneratedfromsolarenergy.

Fourmethodstocollectsolarenergy,showedinthefigures

asfollows:

当前第83页\共有113页\编于星期六\10点Fourmethodsofsolargeneration(a)Parabolictrough(b)‘Fresnel’lens(c)Solardishes(d)Solarpowertowers当前第84页\共有113页\编于星期六\10点SolarthermalpowerstationSolarpowertowersketchmap当前第85页\共有113页\编于星期六\10点Solarphotovoltaicarrays(PVarrays)当前第86页\共有113页\编于星期六\10点7.Magneticlevitatingtrain(Maglev)technology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Maglevtrainsclassification当前第87页\共有113页\编于星期六\10点TherearetwotypesofMaglevs:onesthatuselikemagnetswhichrepeleachotherandonesthatuseopposingmagnetsthatattractwitheachother.OnesthatuserepellingmagnetsarecalledSuperconductingMaglevs,whileElectromagneticMaglevsuseopposingmagnets.HowdoesaMaglevTrainwork?EachprojectisdevelopingitsownversionofMaglevbutthemaindifferencerestsonthewaythemagneticfieldisgenerated.TheGermanmodelandtheJapaneseHSST(HighSpeedSurfaceTransport)useElectromagneticSuspension(EMS).ChinainitsShanghaiMaglevusesGermantechnology.EMSusestheattractivemagneticforceofamagnetbeneatharailtoliftthetrainup.TheYamanashiMaglev(Japan)andtheprojectedFloridaMaglevuseElectrodynamicSuspension(EDS).EDSusesarepulsiveforcegeneratedbytheinteractionbetweenthemagneticfieldsinthetrainandtherailtopushthetrainawayfromthetrack.TheprojectinLosAngeles(Indutrack)usesPermanentMagnetEDS.当前第88页\共有113页\编于星期六\10点

JapansuperconductingMaglevtrainsSuperconductingMaglevbogieSuperconductingMaglevtrack当前第89页\共有113页\编于星期六\10点

Germanynormal-conductingmaglev:TransrapidPrincipleof

Transrapid当前第90页\共有113页\编于星期六\10点

Japannormal-conductingHSSTMaglevNormalconductingmaglev-LinimoinNagoya,JapanHSST:HighSpeedSurfaceTransport当前第91页\共有113页\编于星期六\10点

PermanentMaglev(PM)Berlinpermanentmagnethalflevitatingtrain,Germany当前第92页\共有113页\编于星期六\10点8.FuelcellsBritishphysicistWilliamRobertGrove,1811-1896,producedthefirstfuelcellin1839(called“GasVoltaicbattery”atthattime).Fuelcellexteriorstructure当前第93页\共有113页\编于星期六\10点FuelcellasComputerpowersupply当前第94页\共有113页\编于星期六\10点

Maintypesoffuelcells:

Firstgeneration,alkalinefuelcell(AFC),highefficiencybutcostmuch;

Second,phosphoricacidfuelcell(PAFC),advanced andverypractical;

Third,moltencarbonatefuelcell(MCFC),higher efficiencythanPAFC,usedtogeneratestrong power;

Fourth,solidoxidefuelcell(SOFC),usedsolid electrolyte,avoidsthedangerofelectrolytescorrosionandleakage;

Fifth,protonexchangemembranefuelcell(PEMFC),closelyrelatedtohydrogenenergy;

Inrecently,thereappearedanewtypefuelcellcalledmicrobialfuelcell(MFC),largepower,smallsize,andhighefficiency.当前第95页\共有113页\编于星期六\10点9.FlywheelEnergyStorageSwitzerlandflywheelenergystoragetracktestvehiclein1955Flywheelenergystoragesystem当前第96页\共有113页\编于星期六\10点

Applications

Powergridpeakshaving

Electricvehiclesflywheelbattery

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystem

Windpowergenerationsystem’suninterruptedpowersupply

Satelliteattitudecontrol

Dischargingpulsedhighpowersupply

Otherapplications当前第97页\共有113页\编于星期六\10点Flywheelenergystoragedeviceinpowersystem

Powergridpeakshaving当前第98页\共有113页\编于星期六\10点

ElectricvehiclesflywheelbatteryBristolnewtramcarswithflywheelpowersupply当前第99页\共有113页\编于星期六\10点

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystemGermanyhybridpowerlightrailtrain“LIREX”withflywheelenergystorageAmericainternalcombustionenginegenerator–flywheelenergystoragehybridpublictransit“ATTB”当前第100页\共有113页\编于星期六\10点Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystembesidethetrack当前第101页\共有113页\编于星期六\10点

SatelliteattitudecontrolFlywheelsystemofS