20111107第2章电气工程技术与理论的发展

第2章电气工程学科概述第2章电气工程技术与理论的发展第2章电气工程技术与理论的发展电工技术革命……实际上是一次巨大的革命。蒸汽机教我们把热变成机械运动，而电的利用将为我们开辟一条道路，使一切形式的能----热、机械运动、电、磁、光----互相转化，并在工业中加以应用。---------恩格斯第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展2.1.1人类近代的技术革命技术革命也称为工业革命或产业革命，它是人类近代文明发展的基础，决定了人类社会工业化发展和生活水平提高的趋向。到现在为止，技术革命的历程大致分为三个阶段:第一阶段从18世纪中叶到19世纪中叶，以工业生产机械化为特征;第二阶段从19世纪后半期到20世纪中叶，以工业生产电气化为主要标志;第三阶段从20世纪中叶到21世纪初，以社会生产与人居生活电子化、信息化为特点。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展第一次技术革命的中心在英国。其主要的理论基础之一是牛顿力学;解决动力问题的标志性成果是瓦特发明和改良的蒸汽机;主要应用于纺织业、交通运输业、冶金采矿业、机器制造业等领域。这是一场生产力的全面革命，引起了社会生产力的巨大飞跃;改变了英国的经济地理面貌;使工厂制度在英国首先得到确立;增强了英国的国际地位;并对世界工业革命产生了巨大影响。1875年左右发生的第二次技术革命的中心在美国和德国。它主要表现在新能源的利用、新机器与新产品的制造、远距离信息传递技术的应用。第二次技术革命在人类发展史上占有重要的地位，其主要成果是电力、钢铁、化工三大技术和汽车、飞机、无线电通信三大文明的取得，极大地改变了人类社会的面貌。第二次技术革命的主要标志是电气化、内燃机的应用与化学工业的兴起;重工业、动力工业、能源工业、化学工业等领域崛起并迅速发展，它所引起的工业化浪潮使美、德、英、法等国的工业化程度进一步提高。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展2.1.2电工技术的初期发展历程第二次技术革命是从电工技术及其应用开始的。1831年，英国物理学家法拉第发现电磁感应原理，奠定了发电机的理论基础。早期的用电设备只能由伏打电池供电，功率小，价格高。因此开始研究实用发电机。如永磁式发电机(法国科学家皮克斯)，采用永久磁铁作为场磁铁。------直流发电机-----(发出直流电的关键部件-换向器参考了安培的建议)英国物理学家(惠斯通)通过外加伏打电池给线圈励磁，用电磁铁取代永久磁铁---电磁铁发电机德国科学家西门子发明了自激式励磁直流发电机，利用发电机自身产生的一部分电流向电磁铁提供励磁电流，为制造大容量发电机奠定基础。为了纪念他的杰出贡献，国际电工将电导单位定名为西门子。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展发电机和电动机的发明是交叉进行的。1834年俄国物理学家雅可比发明了第一台实用电动机(15KW);并成功地做了用电动机驱动船舶的实验。1836年美国工程师用电动机驱动木工车床和印报机。1886年美国工程师特斯拉研制出二相异步电动机，1888年俄国工程师研制成功第一台实用的三相交流单鼠龙异步电动机。19世纪后期，电动机使用相当普遍：电锯、车床、起重机、压缩机、磨面机等，电动机驱动的电力机车、有轨电车、电动汽车得到快速发展。1883年世界最早的电气化铁路在英国开始运营。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展因此，当时科学家致力于研制利用电流热效应发光的电灯。当电能在世界上刚刚开始应用时，主要作用是照明。照明的开始--电弧灯：1809年英国化学家用2000个伏打电池供电，通过调整木炭电极间的距离使其产生放电而发出强光。缺点：光线不稳定、刺眼，需要不断调整放电间隙，电弧燃烧烟气呛人........1879年10月，美国发明家爱迪生(ThomasAlvaEdison，1847-1931），经过不懈努力，终于试验成功了真空玻璃泡中碳化竹丝通电发光的灯泡(直到1910年由W.D.库里奇改用钨丝材料)。其实安迪生的电灯和8个月前英国工程师斯万发明的真空玻璃泡炭丝电灯几乎完全相同，区别仅仅是灯丝的材料。由于炭的电阻率很低，要求电流非常大或炭丝级细才能发光，制造上困难很大，因此仅停留在实验室阶段。安迪生在研究上的一小步进步，使人类对电能的利用迈进一大步：发光稳定、工艺简单、成本低廉，从而使电灯立刻转化为商品得到广泛应用。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展1882年，“爱迪生电气照明公司”在纽约建成了商业化电厂和直流电力网系统，装有6台直流发电机组，共660kW，通过110V主缆供电，最大送电距离1.6km，供7200盏灯照明用;其后，又建立了威斯康星州亚普尔顿水电站，完成了初步的电力工业技术体系。1889年，金融大亨摩根加入了爱迪生的电气公司，使美国的电气化步伐加快。1898年纽约建立了容量为3万千瓦的火力发电站，用87台锅炉推动12台大型蒸汽机为发电机提供动力。爱迪生一生完成2000多项发明，他刻苦努力，充分发挥了自己的发明才能。他曾说天才是99%的汗水，加上1%的灵感。爱迪生象征着美国由穷变富的理想，爱迪生的一生，是美国从落后农业国向工业国过渡、从全盘照搬欧洲技术到建立美国自己的技术体系的时代。19世纪后期，由于电机制造技术发展，以及电能应用范围的扩大，生产对电能需求的迅速增长对大规模发电厂建设提出迫切需求。第2章电气工程学科概述第2章电气工程技术与理论的发展第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展最早的发电厂均采用直流发电机。1882年墨尼黑国际博览会展出一条实验高压直流输电电路：容量3马力(2.2千瓦)的水轮发电机发出电能，传输57km到墨尼黑，驱动一台人工喷泉的水泵(200W)。线路始端电压1313V，末端降至850V；输电损耗很大。解决方案？直流发电机发出的高压曾经高达57.6KV，功率达4650KW，输送距离180km。电压越高热损耗越小，提高输电电压最有效高压直流电直接输送给用户，不安全也不经济。但当时要使直流电大幅度升降压是无法做到的。现在行吗？课后调研作业！！第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展随着对电能需求的显著增加和用电区域的扩大，直流发电、供电系统显示出电能生产成本高、供电可靠性低、输电距离短等缺陷。自19世纪80年代起，人们又投入了对交流发电、供电系统的研究，它与直流发电、供电系统比较，具有许多的优越性。1882年法国和英国成功研制了第一台实用变压器，并获得“照明和动力用电分配方法”的专利。于是，能够升降的交流电显示了优越性，促进了高压交流输电方式的发展。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展1885年意大利科学家法拉里提出的旋转磁场原理，对交流电机的发展具有重要的意义。1885年,美国发明家、工业家威斯汀豪斯(GeorgeWistinghouse,1846-1914)购置了法国高拉德(1850-1888)和英国吉布斯于1881年的发明的供电交流系统专利权。在他领导下，与研制变压器和配电设备的斯坦利、发明多项交流发电机和感应电动机技术的特斯拉、研制测量设备的沙伦伯格等，共同完成了交流发电、供电系统，并在匹兹堡创建了交流配电网。在完成这一巨大工程中，显示了他重用优秀技术专家的领导艺术和组织才能。他于1886年成立威斯汀豪斯电气公司(西屋电气公司)，一生获专利100多项。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展美籍南斯拉夫发明家、电气工程师特斯拉(NikolaTesla，1856-1943）1883年发明了世界上第一台感应电动机。1888年发明了两相异步特斯拉电动机和交流电力传输系统。美国采用60Hz作为工业用电的标准频率与他有很大关系。特斯拉于1884年移居美国，先是受雇于爱迪生;当时正值电流争论时期，一方面发明家爱迪生坚持继续使用直流电;另一方面，发明家威斯汀豪则主张改用交流电。由于特斯拉对交流电感兴趣，便离开了爱迪生而加入了威斯汀豪的企业。1890年发明高频发电机;1891年发明特斯拉线圈(变压器)，后来被广泛应用于无线电、电视机和其他电子设备中;1893年发明了无线电信号传输系统。特斯拉一生中拥有700多项专利。为了纪念他，1960年第11届国际计量大会确定采用特斯拉作为磁感应强度的单位。第2章电气工程学科概述2.1电工技术的初期发展第2章电气工程技术与理论的发展采用直流发电、供电系统，还是采用交流发电、供电系统，在1880年代曾发生过一场激烈的争论。美国发明家爱迪生、英国物理学家汤姆逊等都极力主张沿用直流电，而美国发明家威斯汀豪斯、美籍南斯拉夫发明家特斯拉和英国物理学家费朗蒂等人则主张改用交流电。经过长达10年的激烈争论与竞争，最终后者取得了成功。1896年，采用三相交流输电系统的美国尼亚加拉水电站投入运行，它将发出的5000V电压用变压器升至11000V，输送距离40km以上。此时，电力的作用已经不仅仅是照明，开始成为新兴工业的动力和能源。第一次世界大战前夕（1914年8月—1918年11月）输电电压达到150KV。为许多分散的电力用户提供大量经济、可靠的电能，促进了电力工业的蓬勃发展和技术之步。电气工程的发展趋势是:采用高效率、大功率的蒸汽推动的原动机;不断加大发电机单机容量;提高输电电压等级;延长输电距离。这就促进了高电压、大容量、远距离电力系统的形成。课后作业：试通过文献，浅谈高压直流输电的现状及优缺点。要求：1.手写文档2.给出参考文献，标明作者，题目，期刊，出版年月，页码。第2章电气工程学科概述2.2电工理论的建立第2章电气工程技术与理论的发展理论来源于实践。电工理论是在对许许多多电磁现象的大量实验结果的分析、归纳总结而逐步形成的;同时，它又对实践起指导作用。电工理论起源于物理的电磁学，从18世纪后半期开始的漫长的岁月中，人们对电磁现象的本质及其规律的认识，为电工技术的发展提供了理论基础。但是在电工技术的实际应用中，还需要兼顾工程设计、制造工艺、经济效益使用可靠性、维护方便等一系列问题。也就是说，在工程计算中，要尽量使用简捷的方法，来获得所需要的结果。在分析问题时，将实际电路元件、器件进行理想化处理，获得理想化的元器件模型。在此过程中，允许有一些近似，抓住主要问题，忽略某些次要因素;而且也不必重新研究发生的物理过程和细节，从而逐步形成了分析电工设备中发生的电磁过程及其定量计算方法的电工理论。第2章电气工程学科概述2.2电工理论的建立第2章电气工程技术与理论的发展2.2.1电路理论的建立电路理论作为一门独立的学科登上人类科学技术的舞台大约己有200多年了，在这纷纭变化的200多年里，电路理论已经从用莱顿瓶和变阻器描述问题的原始概念和分析方法逐渐演变成为一门严谨抽象的基础理论科学，其间的发展和变化贯穿和置身于整个电气科学技术的萌发、不断进步与成熟过程之中。如今它不仅成为整个电气科学技术中不可或缺的支柱性理论基础，同时也在开拓、发展和完善自身以及新的电气理论中起着十分重要的作用。电路理论是一个极其美妙的领域，在这一领域内，数学、物理学、电信和电气工程与自动控制工程等学科找到了一个和谐完美的结合点，其深厚的理论基础和广泛的实际应用使其具有强盛持久的生命力。因而，对于许多与之相关的学科来说，电路理论是一门非常重要的基础理论课。早在1778年，伏特就提出电容的概念，导体上储存电荷Q=CU，而不必从整个静电场去计算。在1826年欧姆发表欧姆定律和1831年法拉第发表电磁感应定律之后，1832年亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感系数L，即磁通φ=Li。俄国楞次提出导体中由电磁感应产生的电流，也遵守欧姆定律。第2章电气工程学科概述2.2电工理论的建立第2章电气工程技术与理论的发