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1、第1章 绪论,电气工程概论,2021/7/15,第1章 绪论,第2章 电机与电器技术应用及发展新技术,第3章 电力系统及其自动化应用及发展新技术,第4章 电力电子与电力传动,第5章 高电压与绝缘应用及发展新技术,本书内容,3,第1章 绪论,1.1 电气工程及其自动化专业发展现状1.2 应用型本科院校电气专业的人才培养目标及条件1.3 电气工程及其自动化专业未来发展趋势,4,1.1 电气工程及其自动化专业发展现状,电气工程的历史和形成 电气工程的理论基础及实践 电气工程专业形成及发展现状,电气工程（Electrical Engineering）是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，是以电工

2、科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术。,5,电气工程 的历史和形成呢个,1752年，富兰克林著名的“风筝实验”为人类解开了电的神秘面纱。 麦克斯发现的电磁理论，让电气工程的理论基础趋于完善。 20世纪交接的年代，西方发达国家陆续将电气工程专业植入大学课程，这是电气工程专业最早出现的地方。,电气工程的历史和形成,6,电气工程 的历史和形成呢个,电磁学理论的建立及通讯技术的发展 （1）库仑定律 （2）“伏打电池” （3）奥斯特发现电流的磁效应和安培右手定则 （4）法拉第发现电磁感应 （5）麦克斯韦建立电磁场理论,电气工程的理论基础及实践,7,电气工程 的历史和形成呢个,电工技术的初期发展 （1

3、）直流发电机的诞生 （2）远距离输电和电力工业技术体系的初步建立 （3）交流发电机电荷电动机的诞生,电气工程的理论基础及实践,8,电气工程 的历史和形成呢个,电工理论的建立 （1）电路理论的建立 （2）电网络理论的建立 （3）交流发电机电荷电动机的诞生,电气工程的理论基础及实践,9,电气工程 的历史和形成呢个,新技术革命对电气工程技术的推动 （1）计算机的升级换代对电气工程技术的推动 （2）电子信息技术的发展,电气工程的理论基础及实践,10,电气工程 的历史和形成呢个,传统的电气工程定义为“用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和”。 应用型本科教育是以高级应用为目的的专业性通才教育，以现代

4、工程师为培养目标，是学历教育和素质教育的统一。应用型本科教育在组织形式，育人机制及经费来源上应于社会高度联合，在人才培养过程和模式上应高度重视和企业的高度融合。 目前，大多院校的电气工程及其自动化专业中，电气工程一级学科中下属5个二级学科，分别是电机与电器、电力系统及其自动化、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动和电工理论与新技术。,电气工程专业形成及发展现状,11,电气工程 的历史和形成呢个,1、电机与电器学科 包括：电力系统中的大型发电机、电动机，有着广泛应用的中小型电机。前者侧重于运行分析、建模仿真及监测诊断，后者侧重于理论分析、设计方法及现代节能控制技术。就电力工业本身而言，电机就是发

5、电厂和变电站的主要设备，它在机器制造业和轻、重型制造工业中应用广泛。可以说，只要涉及电机的场所都能看到该学科的研究成果。该专业毕业生可在电力系统相关单位从事大型电机运行分析、监测控制或故障诊断等相关技术工作，也可在其他行业从事电机设计及运行控制和节能技术开发工作，还可在相关科研单位、高等学校从事科研及教学工作，或从事与电机及其运行控制相关的管理工作。,电气工程专业形成及发展现状,12,电气工程 的历史和形成呢个,2、电力系统及其自动化 包括：电力生产的全过程(包括发电、输电、配电、用电等)，其研究内容衍生的各项技术成果广泛应用于发电厂、变压器、输电线路和配电装置中，涉及控制、优化、经济、稳定等

6、多项指标。除了涉及电气工程相关知识外，该专业对自动化、测量、计算机、通信等技术也有较高要求。,电气工程专业形成及发展现状,13,电气工程 的历史和形成呢个,3、高电压与绝缘技术学科 包括：电力系统防雷保护设计、绝缘子在线监测、防污闪、水果保鲜、真空断路器设计、脉冲储能技术及军工产品等，其研究内容与多个学科交叉，如脉冲与等离子方向、超导技术方向、自动化方向等。,电气工程专业形成及发展现状,14,电气工程 的历史和形成呢个,4、电力电子与电力传动 包括：在各级工业、交通运输、电力系统、新能源系统、计算机系统、通信系统以及家电产品等各个领域都有广泛应用，如航天飞行器中的特种电源、远程特高压电压传输系

7、统，家用的空调、冰箱和计算机电源，都离不开电力电子及电力传动技术。电力电子技术在输电网中的应用电磁现象的基础理论研究及新技术的开发与应用，为电气工程学科准备必要的理论基础.,电气工程专业形成及发展现状,15,电气工程 的历史和形成呢个,随着基础理论研究的逐步深入，科学技术的不断进步，全新的设计理念、设计方法的提出，在今后若干年内，它们会对电气工程学科的发展趋势产生较大的影响。 （1）信息技术的进步将对电气工程学科的发展产生决定性影响。 （2）电气工程学科与物理科学的相互交叉面拓宽，将为电气工程学科的发展带来新的机遇。 （3）快速变化的新技术、新方法将成为电气工程学科提供更科学的技术方案。 电气

8、工程学科注重理论研究与工程实践相结合，加强理论基础，拓宽专业知识面。随着电气工程科技进步和自动化水平的提高，电气工程学科专业技术人才必须掌握信息技术、自动化技术和计算机技术。,电气工程专业形成及发展现状,16,1.2电气工程及其自动化专业发展现状,电气工程的历史和形成 电气工程的理论基础及实践 电气工程专业形成及发展现状,17,1.2 应用型本科院校电气专业的人才培养目标,应用型本科院校以培养学生实践创新能力为目标，对电气工程及其自动化的课程体系和培养计划进行深入研究，构建和实施以“通识教育为基础的宽口径专业教育”的课程体系。 低年级主要在通识教育和基础课程平台上培养，高年级按学生兴趣选择专业

9、或专业方向，主要在专业学科基础课程和专业特色课程平台上培养，使同类各专业学生能做到交叉通融，扩大学生的学习自主权，激发学生学习的积极性、主动性和创造性。,18,1.2.1 人才培养条件,应用型本科院校培养的学生大多以动手能力较强的工程师及技术工人为主。电气专业建设内容归纳为； （1）办学理念和专业建设观念的更新。 办学理念和专业建设观念是特色专业建设的指导思想，影响着特色专业建设的方向、进程和绩效。 （2）专业教学条件建设与实践教学建设。 建设实验室、实习和实训基地，推动和促进了本专业的硬件建设。要培养高等技术应用型人才，必须有良好的硬件设施和条件，这是形成工学专业教育应用型特色人才培养的物质

10、基础。 总之，电气专业也因此要与时俱进，不断发现新技术、新工艺、新设备、新材料，提高自身技术素质。,19,1.2.2 人才培养目标,强电和弱电结合，电力技术和电子技术结合，元件与系统结合，计算机软件与硬件结合。 培养德、智、体、美全面发展，基础扎实、知识面宽、具有创新精神，实践能力强，知识、能力、素质协调统一，能适应工矿企业、发电厂、电力公司、研究所与设计院等部分科技及生产发展需要，从事与电气工程有关的研发、制造、运行与管理等工作，获得工程师基本训练的应用型高级专门人才。,20,1.2.3 电气工程及其自动化专业毕业生应获得的知识和能力,（1）知识结构 （2）能力结构 （3）素质结构,21,1

11、.3电气工程及其自动化专业未来发展趋势,工厂自动化 智能控制及仿真控制 新型电工电子功能材料 电气测量仪表和工业自动化仪表 智能化开关设备 工业与民用建筑电气工程 电热应用 通信及网络系统 绿色清洁能源发电技术及应用 其他方向发展动向,22,本章小结及知识点回顾,出版社 理工分社,谢谢！,21世纪高等学校本科系列教材,第2章 电机与电器技术应用及发展新技术,电气工程概论,2021/7/15,第2章电机与电器技术应用及发展新技术,2.1 电机的分类2.2 发电机2.3 变压器2.4 电动机2.5 特种电机2.6 电器的历史和电器的分类2.7 高压电器2.8 低压电器2.9 电气控制技术的发展,电

12、机运行原理基于电磁感应定律和电磁力定律，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。电机进行能 量转换时，应具备能做相对运动的两大部件即建立励磁磁场的部件和感生 电动势并流过工作电流的被感应部件。这两个部件中，静止的称为定子， 做旋转运动的称为转子(习惯上对直线运动的一边也称为转子)。定、转子 之间有空气隙，以便转子旋转(或往复运动)。,电磁转矩由气隙中励磁磁场与被感应部件中电流所建立的磁场相互作 用产生。通过电磁转矩的作用，发电机从机械系统吸收机械功率，电动机 向机械系统输出机械功率。建立上述两个磁场的方式不同，形成不同种类 的电机。如果两个磁场均由直流电流产生

13、，则形成直流电机；如果两个磁 场分别由不同频率的交流电流产生，则形成异步电机；而如果一个磁场由 直流电流产生，另一磁场由交流电流产生，则形成同步电机。 当电机绕组流过电流时，将产生一定的磁链，并在其耦合磁场内存储 一定的电磁能量。磁链及磁场储能的多少随定、转子电流以及转子位置不 同而变化。由此产生电动势和电磁转矩，实现机电能量转换。这种能量转 换是可逆的，即同一台电机既可作为发电机又可作为电动机运行。,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，

14、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，电机又可以分为： 静止设备变压器。 没有固定的同步速度直流电机。 转子速度永远与同步速度有差异异步电机。 速度等于同步速度同步电机。 速度可以在宽广范围内随意调节交流换向器电机。 (5)按功率大小，又可以分为大型电机、中小型电机和微

15、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 发电机 发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。 因此，其构造的一般原则是用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯（或磁极、磁扼）绕组、护环、中心环、滑

16、环、风扇及转轴等部件组成。 由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。,发电机可分为直流发电机和交流发电机。交流发电机分为同步发电 机和异步发电机（很少采用），交流发电机还可分为单相发电机与三相 发电机。人们所用的交流电绝大多数是由交流发电机发出的。这些发电 机都是接到交流电网上的，它们必须以固定电角速度旋转，在任何时候 都产生相同频率的交流电，这类电机称为同步发电机。 大型发电机主要是同步发电机，单机容量可达数十万千瓦。小容量 发电机用于独立电源系统，如柴油发电机、风力发电机等。由于同

17、步发 电机需要励磁装置，在部分场合，如风力发电机，也可使用异步发电机 进行发电。现代发电厂已经不再采用直流发电机，仅仅在一些特殊场合 才用到小型直流发电机。,大型同步发电机的定子由硅钢片叠制而成，铁心的槽内放置对称三 相绕组。转子由铁磁材料制成，放置励磁绕组，励磁绕组经过滑环接入 直流励磁电源。当发电机由原动机拖动旋转时，励磁绕组切割三相绕组 导体，在绕组中产生感应电动势。由于定子绕组为对称三相绕组，感应 出的电动势为对称的三相电动势。大型同步发电机的转子构造有两种类 型：隐极式和凸极式。隐极式转子为圆柱形，发电机的气隙为均匀气隙， 这类发电机多用于高速大容量汽轮发电机。凸极式转子多用于水轮发

18、电 机，这种发电机的转速较低，电机极数较多，转子通过轴与原动机连接。,2.2.1 汽轮发电机 汽轮发电机是由汽轮机驱动的发电机。由锅炉产生的过热蒸汽进入 汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，做功后的废汽经凝 汽器、循环水泵、凝结水泵、给水加热装置等送回锅炉循环使用。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，其转速一般为3000转/分（频率为50赫）。因此高速汽轮发电机为了 减少因离心力而产生的机械应力以及降低风磨耗，转子直径一般较小， 长度较大（即细长转子），以减小线速度。20世纪70年代以后，汽轮发 电机的最大容量达130150万千瓦。如图2.1所

19、示,为火电厂中的汽轮机。,(a)火力发电厂,(b)运行中的汽轮发电机,(c)汽轮发电机的定子,(d) 汽轮发电机的转子,图2. 1火电厂中的汽轮发电机,2.2.2 水轮发电机 水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水 流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的 转子，将机械能转换成电能而输出。水轮发电机用于水力发电厂，是水 力发电厂生产电能的主要动力设备。水轮发电机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。机组的起动、并网所需时间较短，运行调 度灵活，除一般发电外，特别宜于作为调峰机

20、组和事故备用机组。水轮 发电机组的最大容量已达80万千瓦。我国发电容量最大的水力发电站三 峡电站总装机26台，单机容量70万千瓦,如图2.2所示。,图2.2 三峡发电厂的水轮发电机,图2.2 三峡发电厂的水轮发电机,2.2.3 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。风能是最廉价的、最清洁的、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。,图2.3 风力发电机,2.3 变压器 2.3.1 变压器的概述 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，

21、是一种静止 电机。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的 绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。最简单 的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等 的线圈构成。铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡 流和磁滞损耗，铁心由涂漆的硅钢片叠压而成，两个线圈之间没有电的 联系，线圈由绝缘铜线（或铝线）绕成。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所示为三相油浸式电力变压器。

22、变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组，如图2.5所示。,图2.4 三相油浸式电力变压器的外形,图2.5 三相油浸式电力变压器的器身,变压器可以变换交流电压、电流、阻抗，也可以隔离、稳压（磁饱 和变压器）等。变压器只能传递交流电能，而不能产生电能；它只能改 变交流电压或电流的大小，不改变频率。变压器主要在电力工业中的变 电、配电环节,如图2.6所示。,图 2.6 变压器在变电站的应用,2.3.2 变压器的分类 变压器种类很多，通常可按其相数、用途、绕组形式、铁心结构、 冷却方式等进行分类。 （1）按相数分 1）单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。 2）三相变压器：用于三相系统的升、降电压。 （

23、2）按用途分 1）电力变压器：用于输配电系统的升、降电压，是生产数量最多、使用 最广泛的变压器。按其功能不同又可分为升压变压器、降压变压器、配 电变压器等。电力变压器的容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压等 级从几百伏到几百干伏。,2）仪用变压器：如电压互感器、电流互感器，用于测量仪表和继电保护 装置。 3）试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。 4）特种变压器：在特殊场合使用的变压器，如作为焊接电源的电焊变压 器，专供大功率电炉使用的电炉变压器，将交流电整流成直流电时使用 的整流变压器，电容式变压器，移相变压器等均属特种变压器。 （3）按绕组形式分 1）双绕组变压器：用于连接电力系

24、统中的两个电压等级。 2）三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。 3）自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。,（4）按铁芯结构分 1）心式变压器：用于高压的电力变压器。 2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。 3）壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。 （5）按冷却方式分 1）干式变压器：依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费

25、站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。 2）油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。,2.4 电动机 2.4.1 电动机的概述 电动机是将电能转换为机械能的设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。,（a）电动机的外形,(b)电动机的定子,(c)电动机的转子,图2.7 电动机的结构,现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。生产机械由电动机驱 动有很多优点，可简

26、化生产机械的结构、提高生产率和产品质量、能实 现自动控制和远距离操纵、减轻繁重的体力劳动等。其中小功率电动机 和微特电动机常常用于电动工具与家用电器中，也可以用在自动控制系 统和计算装置中作为检测、放大、执行元件等。电动机按使用电源不同 分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电动 机。 直流电动机具有宽广的调速范围、平滑的调速特性、较高的过载能 力、较大的起动和制动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高 的生产机械。国产电力机车上常采用直流电机作为牵引电机和辅助压缩 机驱动电机。,交流异步电机主要作用是拖动各种生产机械。异步电机又分为三相异步电机和单相异步电机。和其他电

27、动机比较，它具有结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、维护方便、效率较高等一系列优点，所以异步电动机得到极其广泛的应用。目前,在生产上用的电动机主要是三相感应电动机，大约占世界电机数量的60以上。图2.8所示为三相感应电动机的结构。,图2.8 三相感应电动机的结构,2.4.2 电动机的应用 在工业中使用的异步电机有中小型轧钢设备(如图2.9a所示)、各种 金属切削机床、轻工机械、矿山机械、等。 在农业中使用的异步电动机有水泵(如图2.9b所示)、脱粒机、粉碎 机及其他农副产品加工机械等。此外，与日常生活密切相关的电扇、洗 衣机等设备中都用到异步电动机。建筑的供水、供暖、通风等需要水泵、 鼓风

28、机(如图2.9c所示)等，这些设备也都是异步电动机驱动的。在电力 机车上，由于机车在运行时，变压器、变流装置、牵引电机、制动电阻 等设备会发出大量的热，需要通风机进行强迫冷却；变压器需要装设油 泵强迫变压器油循环；机车和列车的制动、受电弓升弓等需要压缩机提 供工作风源等。异步电动机的缺点是不能经济地在较大范围内平滑调速 和必须从电网吸收滞后的无功功率，使电网功率因数降低。,(a)轧钢机,(b)水泵,(c)鼓风机,图2.9 异步电机在工农业中的使用,一个现代机器人的运动控制要用到很多台电动机。有的机器人的关 节部分直接采用球形电动机(如图2.10所示)，可以方便地实现万向运动。,图2.10 球形

29、电动机,在高层建筑中，电梯、滚梯是靠电动机曳引的。宾馆的自动门、旋 转门(如图2.11所示)也是电动机。,图2.11旋转门,2.4.3电动机的选用 选择电动机的种类是从交流或直流、机械特性、凋速与起动性能、 维护及价格等方面来考虑的。因为通常生产场所用的都是三相交流电源， 如果没有特殊要求，一般都应采用交流电动机。在交流电动机中，三相 鼠笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方 便；其主要缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差。当机械对 起动、调速及制动没有特殊要求时，一般应采用三相笼型感应电动机， 例如，功率不大的水泵、通风机、输送机、传送带、机床的辅助运动机 构，差

30、不多都采用笼型电动机。一些小型机床上也采用它作为主轴电动 机。对重载起动的机械，例如某些起重机、卷扬机、锻压机及重型机床 等选用笼型电动机不能满足起动要求或加大功率不合理时或调速范围不 大的机械，且低速运行时间较短时，宜采用绕线转子电动机。对功率较 大而且连续工作的机械，当在技术经济上合理时，应采用同步电动机。 当机械对起动、调速及制动有特殊要求时，电动机类型及其调速方式应 根据技术经济比较确定。在交流电动机不能满足机械要求的特性时，宜 采用直流电动机；交流电源消失后必须工作的应急机组，也可采用直流 电动机。变负载运行的风机和泵类机械，当技术经济上合理时，应采用 调速装置，并应选用相应类型的电

31、动机。,2.5 特种电机 特种电机通常指的是结构、性能、用途或原理等与常规电机不同， 且体积和输出功率较小的微型电机或特种精密电机，一般其外径不大于 130 mm。特种电机可以分为驱动用特种电机和控制用特种电机两大类， 前者主要用来驱动各种机构、仪表以及家用电器等；后者是在自动控制 系统中传递、变换和执行控制信号的小功率电机的总称，用作执行元件 或信号元件。控制用的特种电机分为测量元件和执行元件。测量元件包 括旋转变压器，交、直流测速发电机等；执行元件主要有交、直流伺服 电动机，步进电动机等。,2.51 伺服电动机 伺服电动机是自动控制系统等装置中使用的一类小型电动机，如图 2.12所示，在自

32、动控制系统中用作执行元件，按照输入信号进行起动、 停止、正转和反转等过渡性动作，操作和驱动机械负荷。用于将输入的 控制电压转换成电机转铀的角位移或角速度输出，伺服电动机的转速和 转向随着控制电压的大小和极性的改变而改变。它通常作为随动系统、 遥测和遥控系统及各种增量运动控制系统的主传动元件，广泛应用于工 业用机器人、机床、办公设备、各种测量仪器、打印机、绘图仪等设备 中。,机,图2.12伺服电动,数控机床伺服系统是以机床移动部件的机械位移为直接控制目标的 自动控制系统，也称位置随动系统。它接收来自插补器的步进脉冲，经 过变换放大后转化为机床工作台的位移。高性能的数控机床伺服系统还 由检测元件反

33、馈实际的输出位置状态，并由位置调节器构成位置闭环控 制, 如图2.13所示。,图2.13 伺服电动机在数控机床上的应用,2.5.2 直线电动机 直线电动机能直接产生直线运动，不需要任何中间转换机构，如图 2.14所示。它不但省去了旋转电动机与直线工作机构之间的机械传动装 置，而又可因地制宜地将直线电动机某一侧安放在适当的位置直接作为 机械运动的一部分，使整个装置紧凑合理、降低成本和提高效率。尤其 在一些特殊的场合，其作用是旋转电动机所不能替代的。因此，它在很 多的技术领域中得到了广泛的应用。,图2.14直线电动机,利用直线电动机驱动的高速列车，即磁悬浮列车就是其中的典型一例，它的时速可达400

34、 kmh以上。所谓磁悬浮列车，就是采用磁力悬浮车体，应用直线电动机驱动技术，使列车在轨道上浮起滑行，如图2.15所示。过山车利用电磁体在轨道上方和列车下方各造出一个磁场，并使两个磁场互相吸引，直线电动机移动轨道上方的磁场，牵引着后面的列车以极高的速度沿轨道移动，如图2.16所示。,图2.15上海磁悬浮列车,图2.16 过山车,直线电动机在城市内轨道交通和城市间高铁中的应用如图2.17和图2.18所示。,图2.17 城市内的轻轨,近年来，直线电机在工业机械、电梯、航空母舰发射飞机、电磁炮、导弹发射架，电磁推进潜艇等方面的应用都已经实用化。,图2.18城际间的高铁,2.5.3 步进电动机 步进电动

35、机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的电动机，每当 一个电脉冲加到步进电动机的控制绕组上时，它的轴就转动一定的角度， 角位移量与电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，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,图2.19所示。,图2.19 步进电机,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，其利用电子电路将直流电变成分时供电，多相时序控制电流输 出为步进电机分时供电。由此驱动电源向电动机绕组提供脉冲电流，因 而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。 随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱

36、增， 步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算机的 外部设备、自动记录仪表等。它主要用于工作难度大、要求的速度快、 精度高等场合。尤其是电力电子技术和微电子技术的发展为步进电动机 的应用开辟了广阔的前景。在数字控制系统中，步进电动机常用作执行 元件。,图2.20 数控机床,下面以数控机床实例简单说明步进电动机的应用,如图2.20所示。数 控机床是数字程序控制机床的简称，它具有通用性、灵活性及高度自动 化的特点。主要适用于加工零件精度要求高，形状比较复杂的生产中。 它的工作过程是：首先应按照零件加工的要求和加工的工序，编制加工 程序，并将该程序送入计算机，计算机根据程序中的数据

37、和指令进行计 算和控制；然后根据所得的结果向各个方向的步进电动机发出相应的控 制脉冲信号，使步进电动机带动工作机构按加工的要求依次完成各种动 作，如转速变化、正反转、起停，等等，这样就能自动地加工出程序所 要求的零件。 步进电机是一种感应电机，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。,2.5.4 其他特种电机 除了上述特种

38、电机外，还有超导电机和超声波压电电动机。 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)。 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

39、学、光学仪器、高精密机械等领域。,26 电器的历史和电器的分类 在广义上，电器指所有用电的器具，但是在电气工程中，电器特指 用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路或用 电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和组 件。电机(包括变压器)属生产和变换电能的机械，习惯上不包括在电器 之列。大的有电力系统中所用的二、三层楼高的超高压断路器，小的有 普通家用开关。一百多年来，电器发展的总趋势是容量增大，传输电压 增高，自动化程度提高。例如，开关电器由20世纪初采用空气或变压器 油作灭弧介质，经过多油式、少油式、压缩空气式，发展到利用真空作 灭弧介质和六氟化硫作灭弧

40、介质的断路器，其开断容量从初期约20-30kA 到现在的100kA以上，工作电压提高到1150kV。又如，20世纪60年代出现 了晶体管继电器、接近开关、晶闸管开关等；20世纪70年代后，出现了 机电一体化的智能型电器，以及六氟化硫全封闭组合电器等。这些电器 的出现与电工新材料、电工制造新技术、新工艺相互依赖、相互促进， 适应了整个电力工业和社会电气化不断发展的要求。,电器的分类按功能可分为： (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

41、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1000V及以下，直流电压在1500V及以下的属于低压电器；工作 交流电压在l 000V以上，直流电压在1 500V以上的属于高压电器。下面 主要按工作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。,27 高压电器 2.7.1 高压开关设备 高压开关设备主要用于在额定电压

42、3000V以上的电力系统中关合及开 断正常电力线路，以及输送倒换电力负荷；从电力系统中退出故障设备 及故障线段，保证电力系统安全、正常运行；将两段电力线路以至电力 系统的两部分隔开；将已退出运行的设备或线路进行可靠接地，以保证 电力线路、设备和运行维修人员的安全。 高压开关设备的器件主要有断路器、隔离开关、重合器、分段器、 接触器、熔断器、负荷开关相接地开关等，以及由上述产品与其他电器 产品组合的产品、它们在结构上相互依托，有机地构成一个整体，如隔 离负荷开关、熔断器式开关、敞开式组合电器等。 电力系统中用得最多的高压开关没备是断路器和隔离开关。,断路器指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电

43、流并能关合、 在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器 分高压断路器和低压断路器。 高压断路器（或称高压开关）它不仅可以切断或闭合高压电路中的 空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作 用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的 断流能力，可分为油断路器（多油断路器、少油断路器）、六氟化硫断 路器（SF6断路器，如图2.21所示）、真空断路器、压缩空气断路器等。 低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，如图2.22所示， 它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路 保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动

44、异步电动机，对电源线 路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障 时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合。 而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，在配电系统中已获得了 广泛的应用。,图2.21 SF6高压断路器,图2.22 低压断路器,隔离开关即在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显 的断开标志；在合位置时，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间 内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。隔离开关（俗称“刀闸”）， 一般指的是高压隔离开关，即额定电压在1kV及其以上的隔离开关，通常 简称为隔离开关，是高压开关电器中使用最多的一种电器，如

45、图2.23所 示。隔离开关的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下 分、合电路。隔离开关用于各级电压，用作改变电路连接或使线路或设 备与电源隔离，它没有断流能力，只能先用其它设备将线路断开后再操 作。一般带有防止开关带负荷时误操作的联锁装置，有时需要销子来防 止在大的故障的磁力作用下断开开关。,图2.23 隔离开关,随着产品成套性的提高，常将上述单个的高压开关(电器)与其他电 器产品，诸如电流互感器、电压互感器、避雷器、电容器、电抗器、母 线和进出线套管或电缆终端等，合理配置，有机地组合在一起，除进、 出线外，所有高压电器器件完全被接地的金属外壳封闭，并配置二次监 测及保护器件，组成

46、一个具有控制、保护及监测功能的产品金属封 闭开关设备，气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Metal- enclosed Switchgear，称GIS),如图2.24所示。,图2.24气体绝缘金属封闭开关设备,为了使高压开关设备的成套性进一步提高，近年来，人们将容量不 是很大的整个变电站(包括电力变压器在内)制作成为一个整体，在制造 厂预制、调试好出厂后整体运送到现场，这样可显著地降低在运行现场 的安装及调试工作量，使安装调试周期大为缩短，减少在现场安装、调 试工作中的失误及偏差，提高了设备在运行中的可靠性。这类成套设备 所需的占地面积和常规设备相比，也显著减少。特别是在建

47、筑稠密的地 区，如居民小区、商业区等，釆用无人值守的小型箱式变电站代替传统 的土建结构变电所，不仅可以节省建设和维护费用，还可以改善环境。,2.7.2 避雷器 避雷器用于保护电气设备免受高瞬态过电压危害并限制续流时间也 常限制续流赋值的一种电器，也是通信线缆防止雷电损坏时经常采用的 另一种重要的设备。电力系统输变电和配电设备在运行中受到长期作用 的工作电压，由于接地故障甩负载、谐振以及其他原因产生的暂时过电 压，雷电过电压，橾作过电压这四种过电压的作用。 雷电过电压和操作过电压可能有非常高的数值，单纯依靠提高设备 绝缘水平来承受这两种过电压，不仅在经济上不合理，而且在技术上也 常常是不可行的。

48、一般是采用避雷器将过电压限制在一个合理的水平上， 过电压过去之后，避雷器立即恢复截止状态，电力系统随即恢复正常状 态。避雷器的保护特性是被保护设备绝缘配合的基础，改善避雷器的保 护特性，可以提高被保护设备的运行安全可靠性，也可以降低设备的绝 缘水平，从而减轻其重量，降低造价。,目前常用的避雷器主要有碳化硅阀式避雷器和金属氧化物避雷器， 如图2.25所示。,图2.25 避雷器,2.7.3 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。互感器的作用是向测量、保护和控制装置传递信息， 并实现和高电压之间隔离。 常用的电流互感器是按电磁转换原理工作的，结构与变压器

49、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， 如图2.26示。 随着技术的发展，出现了电子式互感器。,图2.26电容式电压互感器,2.8 低压电器 低压电器通常是指交流电压1 000V、直流1500V及以下配电和控制系 统中的电器设备。它对电能的产生、输送、分配起着开关、控制、保护、 调节、检测及显示等作用。低压电器是组成低压控制回路的基本器件。 低压电器广泛应用于发电厂、变电所以及厂矿企、交通运输、农村、建 筑等电力系统中。在工厂中常用继电器、接触器、按钮和开关等电器组 成电动机的起动、停止、反转和制动控制回路。发电厂发出的电能，80% 以上要通过各种低压电器传送与分配。据统计，每增加1万千瓦电设备， 大约需要4万件以上各类低压电器配套。所以，随着电气化程度的提高， 低压电器的用量会急剧增加。,图2.27一些低压转换开关,继电器是现代自动控制系统中最基本的电器元件之一，广泛用于电 力系统保护置、生产过程自动化装置、各类远功、遥控和通信装置。继 电器种类繁多，简单地可分为电量继电器(其输入量可为电流、电压、频 率、功率等)和非电气量继电器(其输入量可为温度、压力、速度等)等， 但继电