《电工电子技术及应用》(赵承荻)电子教案-电子课件-第六章电能应用技术

第一节电能的产生第二节电能转换技术第三节电能的存储第六章电能应用技术

第六章电能应用技术

电能应用技术是指电能与其他能量之间的相互转换技术及其在人类社会各个领域中的应用技术。自然界中存在有热能、光能、电能、机械能、化学能、核能等各种不同形式的能量,而且它们之间可以相互转换。电能在现代社会的各个领域中都得到了越来越广泛的应用,电能的生产及应用已成为衡量一个国家工业化和发达程度的重要标志。《

电工电子技术基础》赵承荻、周玲主编高等教育出版社第六章电能应用技术

电能主要担负起自然界中各种能量之间相互转换的中间环节作用,即人们先将其它形式的各种能量转换成电能（发电）,然后又将电能转换成其他形式的能量供人们使用（用电）。《

电工电子技术基础》赵承荻、周玲主编高等教育出版社电能与自然界中其他能量的不同之处电能的优点:1.转换方便电能可以由热能（火力发电）、水能（水力发电）、核能（核能发电）、风能（风力发电）、太阳能（太阳能电站）等各种能源转换成集中、统一、规范化的电能,而电能又可以方便地、迅速地转换成人类活动所需的各种能量,如图6-1所示。发电站发出的电能可以通过高压输电线路方便地、集中地远距离输送到各用电部门,输送速度快、效率高,成本低。电能不仅输送方便,而且分配也很容易,不同种类、不同容量的用电设备只要接上电源,均能灵活地取得电源而正常工作。电能除用导线、电缆、光缆等进行有线传输外,还可用无线通讯技术进行远距离的传输。例如收音机、电视机、无线通讯、移动通信设备、卫星通信技术等。

2.输送方便对电能的控制基本上可以不受距离的限制,而且控制迅速,方便、特别是电子计算机的广泛应用为社会的信息化、自动化开辟了新的途径。3.控制方便电能是由煤炭、石油、水力、核能、风能等一次能源通过各种转换装置而获得的二次能源。目前,世界各国电能的产生主要采用以下四种方式。

第一节电能的产生一、火力发电厂它利用煤炭、石油、天然气燃烧后发出的热量未加热水,变成高温高压蒸汽,再用蒸汽推动汽轮机旋转并带动三相同步发电机发出三相交流电,其能源转换过程如图6-2所示。第一节电能的产生火力发电厂的特点优点:建厂速度快，投资少。缺点:是要消耗大量的燃料，发电成本高，对环境污染较严重。目前我国仍以火力发电为主，据统计2007年底全国发电量中，火电占82.86%，水电占14.95%，核电占1.92%。近来在我国实施的绿色环保和节能工程中，对电力行业的主要政策措施是大力发展水电、核电和风电；淘汰7.5万千瓦以下的中小型火力发电机组；努力降低火力发电煤耗，我国目前单位电能煤耗约380g/KW·h。要求到2010年降为350～370g/KW·h。目前最先进的为280g/KW·h。二、水力发电站它利用水流的位能来发电,即用水流的落差及流量去推动水轮机旋转,并带动水力发电机发出三相交流电。如图6-3所示。

水力发电站的特点

水力发电站的优点:发电成本低，不存在环境污染问题，节约一次性能源（非再生能源），并可实现水力的综合利用。水力发电站的缺点:是投资大，建站时间长，受自然条件的影响。三、核能发电站它利用原子核能裂变时释放出来的巨大能量来加热水,使之成为高温高压的蒸汽,去推动汽轮机并带动发电机发出三相交流电,如图6-4所示。

核能发电的特点优点:核能发电消耗的燃料少，发电成本较低，缺点:建造条件高，投资大，周期长。目前，全世界约20%左右的电力靠核能发电站供给，其中法国最高达到80%左右，我国目前核电还不到总发电量的2%，今后我国将加快核电发展速度、提高核电在总发电量中的比例。四、风力发电站它与水力发电一样属于可再生能源发电,无污染,是最理想的清洁能源。它利用风能带动风力发电上巨大的风叶（直径达几十米）转动而发电,它的主要不足是造价昂贵,而且单台发电机的功率较小（我国为250～750KW）。风力发电在欧洲发展较快,最近我国也在大力倡导风力发电,并制订了一些相应的政策来大力加快风力发电的速度。这是一种极有前途的新技术。第二节电能转换技术一、电能、机械能转换技术电能、机械能转换技术的一个主要应用就是电动机和发电机。电动机是一种将电能转换成机械能的设备,发电机是将机械能转换为电能的装置,原动机拖动发电机转子在磁场中旋转,转子切割磁感线产生感应电动势,从而将机械能转换为电能。二、电能、热能转换技术

电能和热能是能量的不同形式,它们之间是可以相互转换的。如火力发电厂可将热能转换为电能,热电偶是将热能转换为电能的最简单的仪器；与之相反,电热器是将电能转换为热能的电器产品和电器设备。电能转换为热能的形式,按其原理分为电阻加热、电弧加热、感应加热和介质加热四种类型。

二、电能、热能转换技术

1.电阻加热电阻加热是获取电热的主要形式,它又分为直接电热和间接电热。使用最多的是间接加热。间接加热是指电流通过的回路,并不是所需加热的物体,而是另一种专门材料制成的电热元件。电流使电热元件产生热量,再利用不同的传热方式（辐射、对流或传导）将热量传送到被加热物。这种间接法电阻加热形式是目前使用较为广泛的一种形式,主要用来加热和干燥物体。如电热水器、电炒锅、电吹风、电烙铁、电阻炉等。2.电弧加热

电弧加热是利用电极与电极之间,或电极与工件之间产生放电,促使空气电离形成电弧发出的高温来加热物体。家用电器产品中的电子点火器和工农业生产中常用的电弧焊机等产品属于此类。

2.电弧加热电弧焊机是利用电弧为焊接热源,来熔化焊条、金属和母材而形成焊缝的一种焊接设备。为了保证焊接电弧的稳定燃烧和焊接过程的正常进行,电弧焊机必须具有陡降外特性。这样,不但能使电弧稳定燃烧,在弧长变化时,焊接电流变化不大,保证焊接过程稳定,获得良好的焊缝成形,而且使短路电流小,不易损坏焊机和确保焊接回路安全。它主要可分交流弧焊机、直流弧焊机、电子控制式弧焊机等各种类型,图6-5是使用最广的交流弧焊机结构图。3.介质加热

介质加热是将被热物体置于高频交变电场中,利用被热物体的介质损耗而加热。（1）微波加热技术波长在厘米波段的电磁波通过加热物体时被吸收能量,这种波称为微波。微波具有遇金属反射,对绝缘材料如瓷器、石块、玻璃与塑料可透过,对水和含水材料则被吸收并转化为热的特性。它是由磁控管产生的。在微波炉里使用产生等幅振荡的磁控管,它产生频率为2450MHz±50MHz的电磁波。通过天线棒和波道在工作空间发射。工作空间用不锈钢制成,对波可反射。通过金属风扇旋转使工作间电磁波分布开,在加热物体的各个侧面都会碰到电磁波并吸收能量而加热。

家用微波炉的结构(a)家用微波炉外形

(b)家用微波炉结构图6-6微波炉微波设备不仅用于家庭,在工业上应用更为广泛。如利用微波可以检验金属加工表面；应用微波的等离子体技术,可对加工材料表面净化和腐蚀（即光刻）,以实现对金属材料、介电材料的表面金属镀膜；利用微波的热效应可处理已污染的地层；应用微波消毒杀菌,消灭害虫,从而代替有毒药品的使用。固定式微波加热设备通常称为微波干燥箱,其结构原理近似于家用微波炉。只是工业微波加热设备产生的微波总功率大都很高,一般为10kW到100kW不等。

微波设备的应用对被加热的物体用微波加热,电能转换为热能的电－热总效率可达到40%-60%。加热时,被加热物体从内部产生热,而不必从表面导入热,整个物体受热均匀,表层过热危险小,物体内部温差小,从而保护了物品。也避免了被干燥物体内部的机械应力损坏,产生机械变形和裂纹等。加热设备无需预热,产生的热量无滞后作用,加热速度快,可采用程序控制优化加热生产过程。微波加热的特点（2）远红外加热技术

远红外加热技术是指大多数加热物质,特别是有机化合物,它们的红外吸收光谱都处在3－15μm的远红外区域,并在这个波段上吸收来自于热源的辐射,使被加热物体内部产生热量,达到高效加热的目的,它是一种高效节能技术。

（2）远红外加热技术

最简单常用的红外线加热器就是红外线灯泡,如图6-7所示,它在通电后,利用玻璃壳内壁涂的反射层,将灯丝白炽发热辐射出来的红外线集中向一个方向辐射出去,这种灯泡所辐射的红外线,能透国一些材料的表面,进入加热物内部进行加热。

4.感应加热变压器线圈中通入交流电流,则在铁心中产生交变磁场,使铁心被反复磁化并感应出涡流,产生涡流损耗和磁滞损耗,使铁心发热,这是所不期望的,但在感应加热中正是利用了这种损耗,使电能转换为热能。工频感应炉

感应加热技术包括工频感应加热技术、中频感应加热技术、超音频感应加热技术以及高频感应加热技术四种。工频感应加热的交流电频率为50Hz,中频电源频率为几十千赫,超音频电源为10－50kHz,高频电源频率为100－400kHz。图6-8为工频感应炉的原理图。家电产品中应用的感应加热器有图6-9所示的电磁灶。在旋涡状的加热线圈中,供给20～50kHz的高频电源,在放在上面平板上的锅底中产生感应电流,锅本身被加热。锅可由铁、不锈钢、搪瓷等制成,铝或铜的锅不能加热。图6-9电磁灶电、光转换技术的一个最普通的例子就是用于电气照明设备,其次是进行信号的传输、处理、显示及各种控制装置。而光、电转换技术主要用于检测、控制、信号传输和处理等；此外,也可以把它作为电能生产的一种方式,目前广泛应用于航空航天领域。它也许将会是人类解决能源危机的一个突破口。随着电子技术和计算机技术及新材料科学的发展,光、电互换技术正日益深入社会生活的各个领域,并逐步地改善和改变着人类的生产和生活方式。三、电能、光能转换技术从光纤通信,电气照明设备、光电池等的应用技术来说明电能与光能互唤技术。1.光纤通信随着人们对通信容量、传输距离等的要求不断提高后,传统的电线、电缆线路及微波通信已远远不能适应。自从光纤问世以来,光缆线路其容量大、频带宽、中继距离长、抗干扰性好、成本低、传输质量高等优点,正在快速取代电缆线路,从而建立起全新的各类有线信息网络。

光纤通信系统由光发射机、信道（光纤光缆）、光接收机三个主要部分组成,如图6-10所示。光纤通信系统的组成光纤是光导纤维的简称,纤芯是用石英玻璃拉成的纤维丝,外加包层和涂敷层组成,光信号能在纤芯中高效快速地传播,发送电端机将待传送的电话、电视等模拟信号转换为数字信号,送入发送光端机,发送光端机的作用是将电信号转换为光信号,并将光信号送入光纤进行远距离传输。接收光端机将光纤传来的已调光信号转换成相应的电信号,经放大后送入接收电端机将接收到的数字电信号再恢复成原来的模拟信号。光纤通信系统的组成2.电气照明设备

作为电气照明的电光源要满足以下基本要求。光效高－―_用电少而发电多,电源利用率高；寿命长；光色好――有适宜的色温和优良的显色性能；应用方便,点亮快,形状精巧,结构紧凑,便于控光等。其性能指标主要有光通量（表征电灯的发光能力,单位为lm）,光效（电灯发出的光通量与它消耗的电功率之比,单位为lm/W）及寿命等。

2.电气照明设备

照明用的电光源依据产生的方式可分为两大类:一种是热辐射光源，另一种是气体放电光源。如白炽灯、卤钨灯等是热辐射光源,而高压汞灯、高压钠灯、荧光灯等是气体放电光源。（1）白炽灯白炽灯是靠电能将灯丝（钨丝）加热到白炽状态而发光,如图6-11所示。白炽灯的灯丝通常用钨制成,这是由于它的熔点高蒸发率小的原因。白炽灯的特点白炽灯结构简单,价格低廉,使用方便,而且显色性好,应用最广泛。但它发光率低,使用寿命短。且不耐震。现在利用新的技术和材料,努力改善白炽灯的性能。例如,采用新的硬质玻璃或石英玻璃作为外壳,缩小灯的体积,增加灯内气压,可进一步抑制灯丝的蒸发,延长灯的寿命。白炽灯适用于无剧烈震动的工业和民用建筑物的照明。（2）卤钨灯卤钨灯是在白炽灯的基础上改进而得,是在灯泡内充入一定比例卤素或卤化物的气体,它的发光原理与白炽灯相同,在通电后灯丝被加热至白炽状态而发光。卤钨灯的外形如图6-12所示。卤钨灯的特点普通白炽灯在使用过程中,由于从灯丝蒸发出来的钨沉积在灯泡内壁上导致玻璃壳体发黑,降低了透光性,使发光效率降低,从而减少钨丝的使用寿命。卤钨灯的性能改进,主要是卤钨循环原理的作用。当卤钨灯起燃后,灯丝温度较高,被蒸发的钨和卤素在靠近灯管壁附近合成卤化钨,使钨不致沉积在管壁上,防止了灯管发黑。卤化钨又在高温灯丝附近被分解,其中有些钨沉积回灯丝上去,这就是卤钨循环。卤钨灯广泛应用于一些拍摄现场,舞台、展厅、广场、工业厂房建筑等照明。（3）荧光灯荧光灯也称日光灯,是利用管内汞蒸汽在外加电压作用下放电产生的紫外线,去激发涂在管壁内上荧光粉而发光。荧光灯同白炽灯相比使用寿命较长,发光效率较高,照明柔和,眩光影响小,色温接近白天的自然光,显色性能好。荧光灯常用于办公场所、教学场所、商场、住宅照明等,在电气照明中广泛应用。除直管形荧光灯外还有环形荧光灯和紧凑型荧光灯,如图所示。环形荧光灯的玻璃外壳制成环形,它是直管型荧光灯的改进型。通常采用插脚式灯头,属于单端荧光灯。由于具有造型美观,容易和各种灯具相配合,在居住环境应用较多。紧凑型荧光灯是将灯管弯曲或拼接成一定的形状,以缩短灯管的长度。由于它的管径细,大多采用新型稀土荧光粉和集成式的电子镇流器,也可配电感镇流器,常把配有电子镇流器的紧凑型荧光灯称为节能灯。它的发光效率、色温、寿命都很好,改善了频闪效应。对于自镇流紧凑型荧光灯,由于使用了与白炽灯一样的螺口灯头和插口灯头,方便使用,所以广泛地应用于照明。（4）高压汞灯高压汞灯又称高压水银荧光灯。是荧光灯的改进产品,是利用汞放电时产生的高气压获得可见光的电光源。它不需要起辉器来预热灯丝,但必须与相应功率的镇流器串联使用,结构如图6-15所示。工作时,第一主电极与辅助电极间首先击穿放电,使管内的汞蒸发,导致第一主电极与第二主电极间击穿,发生弧光放电,使管壁的荧光粉受激,产生大量的可见光。高压汞灯的特点高压汞灯发光效率高,省电,使用寿命较长。但有明显的频闪,显色性较差,启动时间较长。常用于道路、广场、车站、码头、企业厂房内外照明。（5）霓虹灯霓虹灯主要是用于广告、宣传和装饰的灯光装置,也可作为航海指示灯及高压保安设备的指示灯。常用的高压和低压测电笔中的氖管,就是简单的霓虹灯管。霓虹灯灯管由直径1l～20mm、长3～6m的玻璃管制作,灯管两端各装一个电极,玻璃管内抽成真空后,再充入氖或氙、氦、氩等惰性气体和钠、汞、镁等金属作为发光介质。霓虹灯的电极,是用电解铜、镍、铁、铝等合金制成,并分为冷电极和热电极,冷电极在高压下工作,热电极在低压下工作。（5）霓虹灯灯管电极所加电压在4000～15000V之间。电极表面涂有一层卤钍金属,便于发射电子。灯管玻璃中含有氧化铅、氧化硅和氢氧化钾等成分,能耐高温和不受天气变化的影响。在霓虹灯灯管的两端施加高电压后,电极发射电子,激发管内惰性气体或金属蒸气游离,使电流而发光。光的色彩随灯管内所充气体的变化而不同,也可以通过将玻璃管涂上各种透明颜色,使其发出各种鲜艳的光彩。3.光电池

光电池亦称光伏打电池,是一种能把光信号（或光能）转换成电信号（或电能）的半导体器件。光电池的最大应用领域是测量和探测,一般包括红外探测器,低带/卡片读出器,和普通光伏打电池,这些测量和探测器件具有很高的灵敏度,很宽的光谱响应和很好的线性度。

3.光电池

太阳能电池是普遍使用的一种光电池。采用材料以硅为主,其次是硒。将单晶体硅太阳能电池通过串联和并联可组成大面积的硅光电池组,或称太阳能电池阵列。可作人造卫星、航标灯以及边远地区的电源。这种电源具有重量轻、寿命长、可靠性高、无污染、无噪音,能承受各种环境变化的特点。但为了解决无太阳光时负载用电问题,一般将硅太阳能电池与蓄电池配合使用。有太阳光时,由硅太阳能电池向负载供电,同时给蓄电池充电,无太阳光时,由蓄电池向负载供电。

光电池的封装形式采用玻璃透光窗金属封装和透明有机树脂透光窗陶瓷封装等结构。其外形有圆柱形、扁平形经及双列直插式等。例如SL936－1×2CA即为标准40线双列直插式陶瓷封装透明树脂作透光窗的光电池,其外形如图6-16所示。四、电能、声能转换技术1.传声器（话筒）话筒的作用是将声振动尽可能保持不变地转换为电振动。话筒种类很多,例如碳粉话筒、晶体话筒、动圈式话筒、电容式话筒等。图6-18是电容式话筒的基本构造。传声器（话筒）的原理和用途传声器（话筒）实质上是由两金属板构成的，它们形成一个电容器。膜片是可移动的金属板，位于其对面的是固定的金属板。在它的上面有一些用于平均气压的气孔，两板之间的空气可以从这些孔排出。当膜片振动时，金属板之间距离发生变化，电容器容量也随之而改变。由于两极板间加有一个固定的电压，因此当电容量变化时，使两极板间的电荷量（即电流）发生变化，此变化的电流转换成变化的电压信号后，从1.2端输出送入放大器放大，完成声电转换过程。电容式话筒灵敏度高、失真小、音质优美，主要用于电视录音、舞台扩音、电台广播等场合。（1）激光拾音系统激光唱机简称CD机,它是能播放CD光盘的设备。其主要特点是使用激光拾音器产生的直径为0.78μm的红外激光束对CD光盘上的数字信号进行读出。如图6-19所示为激光拾音器的原理图。图6-19激光拾音器的原理图激光拾音系统的原理激光束由激光二极管产生,通过棱镜后由物镜聚焦成光点,再由聚焦伺服控制使光点聚焦在信号坑所在的平面上,同时为了使激光点准确地跟踪同心圆状排列的信号坑,还需进行跟踪伺服。这样准确跟踪信号坑的部分发生散射,而在没有信号坑的部分发生反射,重新回到物镜,经棱镜折射被导入光检测器（光电二极管）,再转换成电脉冲信号,从而读出了光盘中的信息。由于激光拾音系统具有音质好、寿命长、记录密度大、功能多、小巧等优点,因而获得广泛使用。（2）磁头录放机中的磁头是将以磁的形式记录在磁带上的声音信息转换成电信号的一种拾音系统。磁头是由带有缝隙的高导磁率铁心,绕在铁心上的线圈和外面的屏蔽罩等三部分组成,其外形和内部结构如图6-20所示。图6-20磁头外形和内部结构图（2）磁头按功能分,磁头可分为录音头、放音头和直流抹音头、交流抹音头四种；另外还有单声道、双声道磁头等。磁头的作用是用高导磁材料（如坡莫合金）制成的,所以磁头铁心对磁通的磁阻比磁头工作缝隙中空气的磁阻小得多,磁带上的剩磁极大部分通过磁头铁心形成回路。于是,就在磁头线圈中感应出与剩磁通变化规律相同的感应电动势。它经过放音放大器后,去推动扬声器发出原来记录的声音。听筒和扬声器（1）听筒听筒是电话技术中的耳机,它分为磁性听筒和电动式听筒。磁性听筒的构造比较简单,如图6-21所示。

听筒的原理通话电流流经两个套在铁心上的线圈,通过由此产生的磁场来吸引膜片,膜片的运动产生空气的振动,从而完成电声的转换。假设线圈中通一1kHz的单音频正弦信号,则在信号正半周线圈产生磁力吸引膜片,同理负半周也会吸引膜片。于是在信号的一个周期内,膜片振动两次,即引起的空气振动频率为2kHz,也就是转换产生了失真。为此在听筒里装一永久磁铁,对膜片施加一个预应力,从而保证在信号的正半周期间（或负半周期间）膜片被吸引,信号的负半周期间（或正半周期间）膜片在预应力的作用下重新释放,解决了转换失真问题。

电动式听筒如图6-22所示为电动式听筒的基本构造。它与动圈式话筒十分接近。当在线圈中通入交流电时,线圈由空气隙向外推出或向里吸引。膜片通过线圈产生运动且推动空气,发出声音。

（2）扬声器如果将动圈式听筒做得大一些,主要是带有一个非常大的膜片,这样就得到了动圈式扬声器,如图6-23所示。

图6-23动圈式扬声器动圈式扬声器动圈式扬声器应尽可能将所有可听到的频率发射出来。为了辐射低频的声音,要求膜片直径大,且能进行有力的前后推移。为了辐射高频的声音,膜片的半径小较为有利。于是有低音扬声器、高音扬声器和中音扬声器之分。中音扬声器被称为通用扬声器。它可以在收音机、电视机中使用。动圈式扬声器是使用得最多的扬声器。

五、电能化学能转换技术电能转换为化学能主要有金属材料的电解、电镀等。而化学能转换为电能的典型器件是电池。电池分为原电池和蓄电池两种,都是由化学能转变为电能的器件。原电池是不可逆的,即只能由化学能变为电能(称为放电),故又称为一次电池；而蓄电池是可逆的,即既可由化学能转变为电能,又可由电能转变为化学能(称为充电),故又称为二次电池。因此,蓄电池对电能有储存和释放的功能。1.蓄电池（1）铅酸蓄电池它的主要部件是正极、负极、电解质、隔板(隔离层)和电池槽,如图6-24所示。铅酸蓄电池是酸性蓄电池,在使用时通过正负极上的电化学反应,把化学能转化成电能供给直流负载,即电池放电。反过来,电池在使用后,借助于直流电在电极上进行电化学反应,把电能转换成化学能而储蓄起来,即电池充电。

铅酸蓄电池的优点是:技术较成熟，易生产，成本低廉，可制成各种规格的电池。缺点是:比能量低，难于快速充电，循环使用寿命不够长，最多为800次上下，制成小尺寸比较难。铅酸蓄电池当前研究的主要目标是提高比能量，加大比功率，延长寿命、快速充电、密封免维护。铅酸蓄电池结构示意图（2）镉镍(Cd—Ni)电池镉镍电池的结构基本同铅酸电池，主要部件有正极、负极、电解质、隔板、电池槽、端子等。电池槽内盛放氢氧化钾(KOH)电解液。镍电池的优点为:其比能量高于铅酸电池；循环使用寿命是铅酸电池的二倍；快速充电性能好；密封式电池长期免维护。缺点是:成本高，价格为铅酸电池的4～5倍；有“记忆”效应；由于镉是有毒的，因此废电池必须回收。干电池的种类较多，但以锌—锰干电池（即普通干电池）最为人们所熟悉，在实际应用中也最普遍。锌—锰干电池分糊式、叠层式、纸板式和碱性型等数种，但以糊式