电气工程基础教案

天津理工大学本科教学教案第1周，第1次课第一部分绪论主要内容：第页教学内容：电气工程的历史和形成、地位和发展、展望。教学重点：电气工程学科的分学科分类的未来发展；；教学难点：电气工程学科所包含的内容，设备教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：了解电气工程的历史和形成、电气工程的地位和发展、电气工程的展望。1.1电气工程的历史和形成电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术称为电气工程。根据电气工程学科的发展现状，可将其分为相对独立的五个分学科:电力系统及其自动化技术、电机与电器及其控制技术、高电压与绝缘技术、电力电子技术和电工新技术。其结构简图如下图所示。天津理工大学本科教学教案第1周，第1次课第一部分绪论主要内容：第页1.2电气工程的地位和发展1.电气工程学科的地位电气工程学科在国家科技体系中具有特殊的重要地位；是国民经济的一些基本工业（能源、电力、电工制造等）所依靠的技术科学；是另一些基本工业（交通、铁路、冶金、化工、机械等）必不可少的支持技术；是一些高新技术的重要科技组成部分。2.发展解放前，我国电工科学的基础薄弱而落后。建国后，有了多方面的巨大发展。我国一次能源总产量达10.9亿吨标准煤（2000），居世界第三位，比1949年增长了44倍。但电能比重仍较落后，只占国民经济总能源消耗的25%左右。1949年,我国电力工业的发电量4.3亿kWh（世界排序第25位）、装机容量1850MW（世界排序第21位）。2003年，分别增加到19052亿kWh和391GW（皆居世界第二位），各增大443倍和211倍。截至2003年底，我国水电装机达92170MW，占发电总装机的24％，年发电量2830亿kWh，占总发电量的15％。3.实例：（1）电工制造业以技术复杂的汽轮发电机组为例：我国1956年才试制成功6000kW机组；2002年，已制成并投产900MW，即46年期间汽轮发电机组单机容量的制造能力扩大到1500倍，居于世界先进行列。（2）在断路器和避雷器等电器制造方面：解放时，我国只能制造10kV的充油式断路器；目前，可制造500kV新型的SF6的断路器；从10kV管式避雷器提高到500kV氧化锌避雷器的制造水平，均已进入了世界先进行列。（3）以大型电力变压器为例：1923年，我国生产第一台三相电力变压器50kVA；1948年，制成国内最大的6.6kV三相2500kVA电力变压器；本世纪初，我国已能生产500kV的三相750MVA和成组1000kV/250MVA的单相电力变压器，按三相容量计算，制造能力扩大到300倍。（4）在输电线路方面：1949年，我国只有一回220kV线路，全部35kV以上输电线仅6475km；1999年底，我国超高压输电500kV（含直流线路）达22927km，变电容量达80120MVA；220kV以上输电线路总长达495123km、变电容量达593690MVA。（5）在电气化方面：工业用电量占全部电能生产的71.5%（2001），每年新增发电量的64.6%用于工业用电，其中轻工业用电的年增长率已达14.6%。农业用电增长也很快，自解放以来，平均每年以24%的高速增长，在全国2300个县中，已有2280个县用上了电。第三产业用电（包括市政商业和交通通信）和居民用电量到2001年已达电能总生产天津理工大学本科教学教案第1周，第1次课第一部分绪论主要内容：第页量的24.61%。（6）在电力电子和电工新技术领域：1962年，我国试制出第一个晶闸管；目前，已能批量生产电流达3000A、电压为8500V的晶闸管，并能研制生产和应用快速、全控器件或设备。（7）在电力系统方面：1949年，只有东北、京津唐和上海三个容量不大（分别为646，259和250MW）的电力系统；2003年，已有11个电力系统发电装机容量超过20000MW，其中东北、华北、华东、华中电网发电装机容量均超过30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW；其他几个独立省网，如四川、山东、福建等电网发电装机容量超过或接近10000MW；大区电力系统目前正进入各自加强和彼此互联以及进一步发展形成全国统一电力系统的过程中。（8）在电工高技术的范围内：我国也从空白状态发展形成多个相互配合的研究基地或重点实验室，并相继取得一些世人瞩目的研究成果。例如1983年建成的8MV闪光－I强流脉冲电子束加速器和1990年建成的9MeV感应直线加速器、各种激光器、各种等离子体装置的研制和应用、超导技术、医疗用电工技术、电接触技术、新型电测技术等的成果（新装置、新仪器、新方法等）都使我国在电工新技术和新技术领域中从填补空白的阶段先后步入建立试验基地，开展系统性研究，力求迎头弥补差距的新阶段。综上所述：我国电工科学在传统的电力输送、电工制造或高电压技术方面，取得可喜的进展和成绩我国在电工新技术和高技术领域中也取得可喜的进展和成绩。这说明我国的电工科学已发展成为国民经济发展中可靠的支柱。1.3电气工程的展望20世纪中叶以来，以电子信息技术为核心的新技术革命正在兴起，冲击着所有传统科学，包括基础科学、技术科学、综合科学，甚至社会科学等在内的广大领域。有人统计，最近20年中的科技创造和发明超过了过去两千年中创造发明的总和。在技术科学范围内，不少学科都发生了“旧貌换新颖”的变化，电工学科的巨大变化也十分显著。1.在支持和加强电工科学技术发展时，应从宏观方面考虑到以下几个重要问题：（1）电工科学是一门技术科学，只从纵向关系看，它与其所依赖的基础科学（如电磁学、力学、数学、化学等）和指引并支持的生产技术（包括设计、工艺、产品开发等）是一条连续线，但又各有分工。（2）电工科学应指导电力和电工的生产应用．而生产应用应促进电工科学进步。（3）当代学科发展户的相互交叉、渗透现象已成为科技发展中的重要促进因素。电工科学中近些年来新出现的大量新分支、新技术、新方法和新理论就是明证。天津理工大学本科教学教案第1周，第1次课第一部分绪论主要内容：第页（4）电工科技的应用面广，交叉范围大。但科研资金的来源却不能和其应用范围相适应，相对较狭窄。2.电气工程学科是在经验和教训中不断发展起来的：著名例子是美加“8.14大停电”，2003年8月14日下午，美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人口的用电。停电在美国东部时间下午4时06分开始，在美国的一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周未能恢复供电。这次停电事故引起了全世界的关注。综合资料，基本可以判断本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致的快速电压崩溃，同时伴有潮流大范围转移和窜动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率崩溃。天津理工大学本科教学教案第周，第次课第二部分风力发电技术主要内容：第页教学内容：风能的特性及风能利用、风力发电机组及工作原理、风力发电机组的控制策略、风力发电机组的并网运行和功率补偿、风力发电的经济技术性评价；教学重点：风力发电机组的控制策略、风力发电机组的并网运行和功率补偿教学难点：风力发电机组的控制策略教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求：了解风能的特性、掌握风力发电机组的工作原理及控制策略、掌握风力发电机组的补偿原理。2.1风的特性及风能应用2.1.1风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。2.1.2风的特性与风能优点：简单、无污染、可再生缺点：稳定性、连续性、可靠性差，时空分布不均匀1、风的表示法风向、风速和风力（1）风向的表示法风吹来的地平方向定为风的方向。风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。观测风向的仪器，目前使用最多的是风向标。（2）风速的表示法由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。国际上的单位为m/s或km/h。（3）风速与风级风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平505.1N824.01.0N东西北南南南风南东东南东北北东东北东北东西北西北北西北西南南西西南西南西SSEESEESENNEENENESNNNWNWWN天津理工大学本科教学教案第周，第次课第二部分风力发电技术主要内容：第页均风(m/s)；N——风的级数。2、风的特性（1）风的随机性风的产生是随机的，但可以根据风随时间的变化总结出一定的规律。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中夜里风强，白天风弱，这个逆转的零界高度为100~150m。我国大部分地区风随季节变化的情况是：春季最强、冬季次之、夏季最弱。（2）风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。3、风能（1）风能密度空气在1s内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：（2）风能空气在1s内以速度ν流过面积为S截面的动能。（3）风能的特点优点：蕴量巨大、可再生、分布广泛、没有污染缺点：密度低（只有水力的1/816）、不稳定、地区差异大2.1.3风能的利用风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，一般利用风推风车的转动以形成动能。SvESW35.035.0Ekhhvv00风能风力机风帆机械泵发电机发热装置水空气油直流电交流电整流抽水蓄能压缩空气液压电动机电解制氢蓄电池电网热能涡轮机机械负载涡轮机逆变发电机供暖、供热水灌溉交、直流电能负荷助航天津理工大学本科教学教案第周，第次课第二部分风力发电技术主要内容：第页2.2风的特性及风能应用2.2.1风力发电机组的结构及分类1、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。从风轮轴的安装型式水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组按风力发电机的功率微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）按运行方式独立运行和并网运行2、风力发电机组的结构风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。（1）独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。（2）并网运行的风力发电机组并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示。发电机尾舵充电控制器畜电池组逆变器电缆风轮支架风轮增速器交流发电机主继电器主开关变压器转速测量晶闸管熔断器定桨距或变桨距风速测量控制系统功率测量电容补偿电网天津理工大学本科教学教案第周，第次课第二部分风力发电技术主要内容：第页（3）大型风力发电机组并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成。2.2.2风力机及风能转换原理1、风力发电机的结构风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：旋转轴与地面呈水平状态a.荷兰式b.农庄式c.自行车式d.桨叶