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1.1电气工程在国民经济中的地位电气工程是与电能生产和应用相关的技术,同时它也是工程教育体系中的一个学科。在我国高等学校的本科专业目录中,电气工程对应的专业是电气工程及其自动化或电气工程与自动化。电气工程的理论基础是电气科学。电气科学与电气工程所涉及的领域十分宽广,研究的内容十分丰富,国家自然科学基金委员会划分的电气科学与工程的领域和子领域见表1-1。电能是最清洁的能源,而且易于远距离传输和控制,所以已经成为人类现代社会最主要的能源形式。电作为一种特殊的能量存在形态,在物质、能量、信息的相互转化过程以及能量的相互转化中起着重要的作用。由于电(或磁、电磁)本身具有极强的可控性,大多数的能量转换过程都以电(或磁、电磁)作为中间能量形态进行调控,信息表达的交换也越来越多地采用电(或磁)这种特殊介质来实施,因此,当代高新技术都与电能密切相关,并依赖于电能：1.4电气工程的理论基础电气工程学科除具有其各分支学科的专业理论外,还具有本学科的共性基础理论(电路理论、电磁场理论、电磁计量理论等,它与基础科学(如物理、数学等)的相应分支具有密切的联系,但又具有明显的差别。因为基础科学的主要任务是认识客观世界的本质及其内在规律,而技术科学的目的则在于改造客观世界以达到人们的预定要求。在分析与计算电路时,通常这样规定电流、电压和电动势的方向:电流的方向规定为正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向电压的方向规定为由高电位端指向低电位瑞,即为电位降低的方向;电源电动势的方向规定为在电源内部内低电位端指向高电位端,即为电位升高的方向。上述规定的方向,通常作为它们的实际方向。二、欧姆定律欧姆定律在物理课中早就学过,它是电路的基本定律之一,但在电路理论中处理这个定律时并不是简单重复过去所讲的内容,而是通过它进一步加深对电压、电流正方向的理解。要注意两点：第一,应用欧姆定律列式子时,首先要在电路图上标出电流、电压或电动势的正方向,当电压和电流的正方向选得相反时,表达式须带负号;第二,在正方向选定之后,电压和电流本身有正值或负值。所以这里有两套正、负号。如图1-22与图1-23所示。三、基尔霍夫定律（1）基尔霍夫电流定律,∑I=0反映了汇合到电路中任一结点的各支路电流间相互制约的关系。其实质是电流连续性。即在任何一个无限小的时间间隔内,流向结点的电荷必然等于流出的电荷,在结点上不能聚集电荷。(2)基尔霍夫电压定律,∑U=0反映了一个回路中各段电压间相互制约的关系,其实质是电位单值性原理,即在任一瞬时,从回路中任意一点出发,沿回路绕行一周,电位升之和必然等于电位降之和,回到出发点时,该点的电位不会发生变化。2.1.1电机的作用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，包括旋转电机和变压器两大类。旋转电机是机电能量转换装置,主要用作发电机,把机械能转变成电能;或作为电动机,把电能转变成机械能。有的电机还用作调相机,用于改善电网的功率因数。此外,还有微特电机,广泛应用于自动控制系统中。变压器是各部件间无相对运动的电能变换装置,广泛应用于电能传输,电压、电流、阻抗的变换和电路隔离。电机的主要作用表现在三个方面：1.电能的生产、传输和分配在发电厂中,发电机由汽轮机、燃气轮机、柴油机或水轮机带动。发电机将燃料燃烧、原子核裂变的能量或水的位能转化为机械动能传给发电机,在发电机中转换成电能,然后用变压器升高电压,通过输电线把电能送到用电地区,再经变压器降低电压,供用户使用。2.驱动各种生产机械和装备在工农业、交通运输、国防等部门和生活设施中,极为广泛地应用各种电动机来驱动生产机械、设备和器具。例如,机床驱动、电力排灌、农副产品加工、矿石采掘和输送、电车和电力机车的牵引、抽水、鼓风、起吊、轧钢、造纸、医疗设备及家用电器的运行等一般都采用电动机来拖动。3.作为各种控制系统和自动化、智能化装置的重要元件随着工农业和国防设施自动化水平的日益提高,出现了多种多样的控制电机,它们在控制系统、自动化和智能化装置(例如电子计算机和机器人)中分别作为执行、检测、放大和解算元件。这类电机一般功率较小,但品种繁多、用途各异,例如,电梯的自动选层与显示,阀门遥控,火炮和雷达的自动定位,飞行器的发射和姿态的控制,机床加工的自动控制和显示,以及计算机外围设备、各种自动记录仪表、音像录放设备、医疗器械和现代家用电器设备等的运行控制、检测或者记录显示。2.2.1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,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:①输出和输入有不同的电压—变压器。②输出与输入有不同的波形,如将交流变为直流—变流机。③输出与输入有不同的频率——变频机。④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：(1)静止设备—变压器。(2)没有固定的同步速度—直流电机。(3)转子速度永远与同步速度有差异—异步电机。(4)速度等于同步速度—同步电机。(5)速度可以在宽广范围内随意调节——交流换向器电机。按功率大小,又可以分为大型电机、中小型电机和微型电机。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。2.2.4变压器变压器是一种静止电机其主要组成部分是铁心和绕组。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所示是一台正在运行的三相油浸式电力变压器。变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组,图2-5所示为三相变压器的铁心与绕组。把接交流电源的绕组设定为一次绕组,其匝数用字母N1表示;把接负载的绕组设定为二次绕组,其匝数用字母N2表示。当一次绕组接通交流电源时,二次绕组接的电灯就会发光。这可以根据电磁感应原理来说明：2.2.5特种电机三、步进电动机步进电动机(SteppingMotor)把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动,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。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增,在国民经济各领域都有应用。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,由此驱动电源向电动机绕组提供脉冲电流。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。步进电动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工作位置;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。图2-8所示为各种步进电动机。四、超导电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)。图2-9所示是一台舰船用超导直流电动机。五、超声波压电电动机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学、光学仪器、高精密机械等领域。图2-10所示是一个微型超声波压电电动机。2.3电机的应用领域2.3.1电力工业一、汽轮发电机汽轮发电机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.一般为3000r/min,因此汽轮发电机的转子细而长,以减小线速度。图2-11所示是一台国产60万千瓦汽轮发电机正在安装转子。目前世界上最大的汽轮发电机容量已经超过100万千瓦。二、水轮发电机水轮发电机用于水力发电厂,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。图2-12所示是在三峡电站安装的水轮发电机,三峡机组是目前世界上最大的水轮发电机组,功率达70万千瓦。三峡电站总装机26台,单机容量70万千瓦。三、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、最清洁、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。按装机容量分,风力发电机有小型、中型、大型、特大型系列。小型风力发电机容量为0.1-1kW,中型风力发电机为1-100kW,大型风力发电机为100-1000kW,特大型风力发电机为1000kW以上。几乎所有类型的发电机都用到风力发电中,最常见的有同步、异步、直流和永磁发电机。最近,国外特大型风力发电机用永磁外转子无刷直流发电机的较多。2.7电器的分类电器按功能分为：（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1500y及以下的属于低压电器;工作交流电压在1000以上,直流电压在1500V以上的属于高压电器。下面主要按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。2.8.2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:（1）向测量、保护和控制装置传递信息。（2）使测量、保护和控制装置与高电压之间隔离。（3）有利于仪器、仪表和保护、控制装置小型化、标准化。常用的电流互感器是按电磁变换原理工作的,结构与变压器相同,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。图2-43所示是正在对我国三峡左岸电站的高压电压互感器进行介质损耗试验。3.1电力系统发展简史3.1.1电力工业简介自然界存在着大量可直接利用的能源,可直接提供热、光、动力等,这样的能源称一次能源主要包括植物能源(柴草等)、矿物能源(煤、油、天然气等)、可再生能源(水、风、潮汐、地热、太阳能等)及核能(核裂变、核聚变)。由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源产品,称为能二次能源。二次能源更具优越性，其利用效率高清洁、方便。电能是一种被极其广泛地应用的二次能源。电能可以方便地转换成机械能、光能等其他形式的能量供人们使用。电能的生产和使用具有其他形式能源不可比拟的优点。它转换容易、便于远距离输送,能灵活、方便地进行控制,生产成本低,电能应用对环境不构成污染等。因此,电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。电力工业是生产和销售电能的行业。电力工业的任务是为社会提供能源,即向用户提供安全、可靠、方便、优质经济的电能。它是现代社会不可或缺的一种公用事业,是国民经济重要的基础产业,也是国民经济发展战略中的重点和先行产业。电力工业必须优先于其他工业部门的发展而发展，其建设