電氣工程概論第六章電工新技術(shù)

26十二月2023電氣工程概論第六章電工新技術(shù)新理論、新原理新材料新技術(shù)等離子體物理放電物理電磁流體力學(xué)直線電機超導(dǎo)材料永磁材料半導(dǎo)體材料微電子計算機放電應(yīng)用核聚變磁流體發(fā)電磁流體推進(jìn)磁懸浮列車超導(dǎo)電工永磁電機與磁體光電應(yīng)用電力電子微電子專用設(shè)備數(shù)控與機電控制電工裝置CAD電磁場數(shù)值計算基礎(chǔ)主要分支圖6-1電工新技術(shù)的分類

一、電工新技術(shù)的發(fā)展趨勢2二、超導(dǎo)電工技術(shù)圖6-2液氦溫區(qū)低溫超導(dǎo)材料——NbTi導(dǎo)線

3二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）圖6-3液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)材料——Bi系帶材4超導(dǎo)現(xiàn)象

1911年荷蘭科學(xué)家昂納斯（H.KamerlinghOnnes）在測量低溫下水銀電阻率的時候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到-269℃附近，水銀的電阻突然消失。

超導(dǎo)態(tài)的兩個基本性質(zhì)：一是零電阻效應(yīng)；二是完全抗磁性，又稱邁斯納（Meissner）效應(yīng)，即在磁場中超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零，即磁力線完全被排斥在超導(dǎo)體外面。二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）5二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）圖6-4超導(dǎo)體的完全抗磁性現(xiàn)象6二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）2.超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

超導(dǎo)電機圖6-583MW超導(dǎo)發(fā)電機超導(dǎo)轉(zhuǎn)子（左）與試驗車間（日本）7圖6-65MW船用高溫超導(dǎo)推進(jìn)電動機8圖6-75MW船用高溫推進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)圖9圖6-8300kW超導(dǎo)單極電動機（武漢712所等）圖6-9由超導(dǎo)電動機作動力的吊艙式螺旋推進(jìn)器（圖片來源：ABB公司）10

超導(dǎo)變壓器圖6-10500kW,6600/3300V高溫超導(dǎo)變壓器（日本）圖6-1126kW高溫超導(dǎo)變壓器（中國科學(xué)院電工研究所等）11

超導(dǎo)輸電圖6-122000A高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)云電英納超導(dǎo)電纜公司12圖6-1330m長、35kV、2kA高溫超導(dǎo)電纜云電英納超導(dǎo)電纜公司13

超導(dǎo)儲能圖6-14超導(dǎo)儲能裝置的儲能線圈圖6-152MJ超導(dǎo)儲能設(shè)備（德國）14

超導(dǎo)磁懸浮列車圖6-16日本超導(dǎo)磁懸浮列車15超導(dǎo)在電氣工程領(lǐng)域的其他應(yīng)用超導(dǎo)電磁線圈：應(yīng)用于托克馬克裝置、磁流體發(fā)電機等；超導(dǎo)磁懸浮軸承：無機械摩擦，穩(wěn)定好。

總之，超導(dǎo)電工已由最初的超導(dǎo)磁體技術(shù)擴展到了包括超導(dǎo)電力應(yīng)用與強磁場應(yīng)用等領(lǐng)域，隨著低溫超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是如果實現(xiàn)了臨界溫度達(dá)到室溫的實用超導(dǎo)體，將帶來革命性的改觀。

16三、聚變電工技術(shù)

與裂變反應(yīng)堆主要依靠核工技術(shù)與熱工技術(shù)的結(jié)合而發(fā)展起來的歷史不同，聚變反應(yīng)堆的發(fā)展主要依賴于核工技術(shù)與電工新技術(shù)的結(jié)合，因為需要的關(guān)鍵技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)、大體積強磁場技術(shù)、大能量脈沖電源技術(shù)、輔助加熱技術(shù)、等離子體控制技術(shù)都屬于電工新技術(shù)。

17圖6-17托克馬克裝置原理（環(huán)形核聚變反應(yīng)裝置）18圖6-18基于托克馬克的核聚變電站原理19四、磁流體發(fā)電技術(shù)

當(dāng)前，世界各國的電力主要來源仍舊是火力發(fā)電，但這種發(fā)電方式的熱效率很低，最高只有40%。磁流體發(fā)電的熱效率可以從火力發(fā)電的30-40%提高到50-60%甚至更高。磁流體發(fā)電是將高溫導(dǎo)電燃?xì)饣蛞后w與磁場相互作用而將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電方式。20圖6-19磁流體發(fā)電原理與試驗裝置（日本）21圖6-20

磁流體發(fā)電用超導(dǎo)磁體（中國科學(xué)研究院電工研究所）22五、磁流體推進(jìn)技術(shù)

磁流體推進(jìn)船圖6-21日本超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船23

等離子磁流體航天推進(jìn)器（a）（b）圖6-22等離子推進(jìn)器（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）“SMART-1號”探測器等離子推進(jìn)器的噴口24風(fēng)力發(fā)電圖6-23風(fēng)力發(fā)電站與電力系統(tǒng)并網(wǎng)六、可再生能源發(fā)電25圖6-24海上風(fēng)力發(fā)電機正在安裝（丹麥）26太陽能發(fā)電

主要有三種：一是使太陽能直接轉(zhuǎn)變成熱能，即光熱轉(zhuǎn)換，如太陽能熱水器；二是使太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，即光電轉(zhuǎn)換，如太陽能電池；三是使太陽能直接轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，即光化學(xué)轉(zhuǎn)換，如太陽能發(fā)電機。1945年，美國貝爾電話實驗室制造除了世界上第一塊實用的硅太陽能電池，開創(chuàng)了現(xiàn)代人類利用太陽能的新紀(jì)元。27圖6-25太陽能發(fā)電的四種方式（a）槽型拋物面（b）菲涅耳透鏡（c）盤形拋物面-中心接受器（d）分布平面塔式接收器28圖6-26太陽能熱發(fā)電站圖6-27塔式太陽能熱電站原理示意圖29圖6-28太陽能光伏電池陣30七、磁懸浮列車技術(shù)超導(dǎo)長定子永磁長定子常導(dǎo)短定子常導(dǎo)長定子電動式長定子電磁式短定子電磁式長定子永磁式長定子圖6-29磁懸浮列車分類31

日本超導(dǎo)磁懸浮列車圖6-30日本超導(dǎo)磁懸浮列車的轉(zhuǎn)向架圖6-31日本超導(dǎo)磁懸浮列車的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)32

德國常導(dǎo)磁懸浮列車Transrapid圖6-32Transrapid原理33

日本常導(dǎo)磁懸浮列車HSST圖6-33日本名古屋常導(dǎo)磁懸浮列車（Linimo）34

永磁磁懸浮列車圖6-34德國柏林永磁半懸浮列車35八、燃料電池技術(shù)燃料電池的雛形是1839年由英國科學(xué)家格羅夫（WilliamRobertGrove，1811-1896）提出的（當(dāng)時稱為“氣體伏打電池”）。圖6-35燃料電池的外部結(jié)構(gòu)圖36圖6-36為計算機供電的燃料電池37第一代燃料電池，堿性燃料電池，效率最高，但成本昂貴；第二代燃料電池，磷酸型燃料電池，技術(shù)先進(jìn)，實用；第三代燃料電池，熔融碳酸鹽型（MCFC）電池，效率比磷酸 型高，燃料也不僅僅限于氫氣，是一種大容量發(fā)電燃料 電池；第四代燃料電池，固體電解質(zhì)型燃料電池（SOFV），性能優(yōu) 良，電解是固體，因此免去了腐蝕和溢漏的危險；第五代燃料電池，聚合物電解質(zhì)型薄膜燃料電池（PEMFC）， 與氫能源關(guān)系十分密切；最近又出現(xiàn)了生物燃料電池，具有功率大，體積小，效率 高，成本低等優(yōu)點。38九、飛輪儲能系統(tǒng)圖6-37瑞士1955年試制的飛輪儲能軌道試驗車圖6-38飛輪儲能系統(tǒng)39飛輪儲能的應(yīng)用

電力調(diào)峰

電動車輛飛輪電池

飛輪儲能-再生制動系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷供電

衛(wèi)星姿態(tài)控制

大功率脈沖放電電源

其他應(yīng)用40圖6-39電力系統(tǒng)中的飛輪儲能裝置

電力調(diào)峰41

電動車輛飛輪電池圖6-40英國Bristol的新型純飛輪供電有軌車42

飛輪儲能-再生制動系統(tǒng)圖6-41德國采用飛輪儲能裝置的LIREX混合動力輕軌列車圖6-42美國內(nèi)燃機發(fā)電機-飛輪儲能混合動力公交車ATTB43圖6-43軌旁飛輪儲能再生制動系統(tǒng)44

衛(wèi)星姿態(tài)控制圖6-44衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪系統(tǒng)45

大功率脈沖放電電源圖6-45航天飛機電磁發(fā)射示意圖46十、脈沖功率技術(shù)脈沖功率技術(shù)的基礎(chǔ)是沖擊電壓發(fā)生器，也叫馬克斯發(fā)生器或沖擊機，是德國人馬克斯（E.Marx）在1924年發(fā)明的。圖6-46馬克斯發(fā)生器47目前，脈沖功率技術(shù)的發(fā)展方向是提高功率水平，具體的主攻方向是：提高儲能密度，研制大功率和高重復(fù)率的轉(zhuǎn)換開關(guān)，向著高電壓、大電流、窄脈沖、高重復(fù)率的方向發(fā)展。脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用：強激光的研究強脈沖X射線核電磁脈沖高功率微波武器電磁炮48軌道炮線圈炮磁懸浮發(fā)射器

磁懸浮加速托架磁懸浮間隙電樞線圈

驅(qū)動線圈

電樞（等離子體）電流圖6-47電磁發(fā)射裝置49圖6-48國外研制的電磁炮50十一、微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS），是融合了硅微加工、光刻鑄造成型和精密機械加工等多種微加工技術(shù)制作的集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微米（10e-6m）尺寸微型機電系統(tǒng)。51圖6-49微機電系統(tǒng)電機和一根頭發(fā)的對比（顯微圖）圖6-50微機電系統(tǒng)繼電器（放大圖）52圖6-51微機電系統(tǒng)陀螺儀53圖6-52封裝好的微機電系統(tǒng)產(chǎn)品54圖6-52微機電系統(tǒng)衛(wèi)星（概念圖）55謝謝!56Chapter6NewTechnologyofelectrotechnics

571.DevelopmentsofElectrotechnics1.TendenciesofElectrotechnics2.SuperconductorElectrotechnics3.NuclearFusionElectrotechnics4.MagnetohydrodynamicPowerGeneration5.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology6.RenewablePowerGeneration7.MagneticLevitationTrain8.FuelCells9.FlywheelEnergyStorageSystems10.PulsedPowerTechnology11.MicroElectro-MechanicalSystems582.SuperconductorElectrotechnicsLiquidHeliumregionlowtemperaturesuperconductivematerial–NbTiwire

59LiquidNitrogenregionhightemperaturesuperconductivematerial-Biseriestapes60>>SuperconductingPhenomenonAmomentousdiscoverybyDutchscientistH.KamerlinghOnnesin1911,thattheresistanceofthemercuryturnedtozerowhenthetemperaturebelow-269℃.Itisaphenomenondisplayedbysomematerialswhentheyarecooledbelowacertaintemperature,knownasthesuperconductingcriticaltemperature,Tc.

HTS:highTcsuperconductor

BelowTc,superconductingmaterialsexhibittwocharacteristicproperties:Zeroelectricalresistance;Fulldiamagnetism(MeissnerEffect).Whenthesuperconductorbelowit’scriticaltemperature，andamagnetisbroughtneartoit,theinnermagneticfieldintensityofthesuperconductoriscompletelyexpelledtozero,behavingasafulldiamagnet.61MeissnerEffectAsuperconductivediskonthebottom,cooledbyliquidnitrogen,causesthemagnetabovetolevitate.Thefloatingmagnetinducesacurrent,andthereforeamagneticfield,inthesuperconductor,andthetwomagneticfieldsrepeltolevitatethemagnet.62>>Applications

Superconductingmotor83MWsuperconductingrotor

andit’stestplant(Japan)635MWHTSshippropulsionmotor645MWHTSshippropulsionmotorstructures65300kWsuperconductinghomopolarmotor（712instituteofWuHan,China）Superconductingmotorpoddedpropeller66

Superconductingtransformer500kW,6600/3300VJapanHTStransformer26kWHTStransformer

(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)67

Superconductingpowertransmission2000AHTScableInnopowersuperconductorcableCo.,Ltd.,Beijing6830mlength、35kV、2kAHTScablessystem69

Superconductingmagneticenergystorage(SMES)SMEScoilGermany2MJSMES70

Superconductingmagneticlevitatingtrain(Maglev)JapansuperconductingMaglevtrain71

ApplicationsinelectricalengineeringSuperconductingcoil:Tokamakdevice,Magnetohydrodynamic

PowerGeneration

SuperconductingMaglevbearing:Nomechanicalfriction,Steady

Inshort,superconductingelectrotechnicshasgainedadvanceddevelopmentfromsuperconductingmagnettosuperconductingpowerapplicationsfields.WiththedevelopmentofLTSandHTStechnology,somebadlyexpectedpracticalhouseTcsuperconductorswillbefounded.Oncethishappens,thewholeworldofelectronics,powerandtransportationwillberevolutionized.723.NuclearfusionelectrotechnicsIncontrasttonuclearfissionreactor,whichbasedontheintegratingwithNuclearandheatengineeringtechnology,thecombinationwithnewtechnologyofelectrotechnicsisthemainstreamtoresearchfusionreactor,suchassuperconducting,strongmagneticfield,highpulsedpower,assistantheating,plasmatechnology.73PrincipleofTokamakdevice(Toroidalnuclearfusiondevice)Deuterium-Tritium-Helium

74Tokamakfusionreactorpowerplant754.Magnetohydrodynamic(MHD)PowerGeneration

Atpresent,theefficiencyofcoal-firedpowergeneratingispoorabout30-40percent,whileMHDpowergenerationcouldreaches50-60percentorevenhigher.MHDpowergenerationisthatanewmethodtogenerateelectricpowerfromheatenergybyinteractionsbetweenhotgasorliquidandmagneticfield.76PrinciplediagramofMHDpowergeneratorandtestdevices77SuperconductingmagnetofMHDpowergenerator(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)785.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology

MagnetohydrodynamicpropulsionshipJapansuperconductingMHDpropulsionship79

PlasmaMagnetohydrodynamicspaceflightpropeller（a）（b）PlasmaMHDpropeller（a）Structuresketchmap（b）Propellerspoutof“SMART-1”detector80WindpowergenerationWindpowerplantandgridconnected6.RenewablePowerGeneration81Offshorewindpowergenerationbeinginstalled（Denmark）82Solarpowergeneration

Threeprinciples：1）Photothermalconversion,usingthesuntoheatwaterandproducesteamtorunelectricalturbines,suchassolarwaterheater;2）Photoelectricconversion,convertingsolarenergytoDCelectricity,suchassolarcells;3）Photochemicalconversion,chemicalenergybeinggeneratedfromsolarenergy.

Fourmethodstocollectsolarenergy,showedinthefiguresasfollows:

83Fourmethodsofsolargeneration(a)Parabolictrough(b)‘Fresnel’lens(c)Solardishes(d)Solarpowertowers84SolarthermalpowerstationSolarpowertowersketchmap85Solarphotovoltaicarrays(PVarrays)867.Magneticlevitatingtrain(Maglev)technology超導(dǎo)長定子永磁長定子常導(dǎo)短定子常導(dǎo)長定子電動式長定子電磁式短定子電磁式長定子永磁式長定子Maglevtrainsclassification87TherearetwotypesofMaglevs:onesthatuselikemagnetswhichrepeleachotherandonesthatuseopposingmagnetsthatattractwitheachother.OnesthatuserepellingmagnetsarecalledSuperconductingMaglevs,whileElectromagneticMaglevsuseopposingmagnets.HowdoesaMaglevTrainwork?EachprojectisdevelopingitsownversionofMaglevbutthemaindifferencerestsonthewaythemagneticfieldisgenerated.TheGermanmodelandtheJapaneseHSST(HighSpeedSurfaceTransport)useElectromagneticSuspension(EMS).ChinainitsShanghaiMaglevusesGermantechnology.EMSusestheattractivemagneticforceofamagnetbeneatharailtoliftthetrainup.TheYamanashiMaglev(Japan)andtheprojectedFloridaMaglevuseElectrodynamicSuspension(EDS).EDSusesarepulsiveforcegeneratedbytheinteractionbetweenthemagneticfieldsinthetrainandtherailtopushthetrainawayfromthetrack.TheprojectinLosAngeles(Indutrack)usesPermanentMagnetEDS.88

JapansuperconductingMaglevtrainsSuperconductingMaglevbogieSuperconductingMaglevtrack89

Germanynormal-conductingmaglev:TransrapidPrincipleof

Transrapid90

Japannormal-conductingHSSTMaglevNormalconductingmaglev-LinimoinNagoya,JapanHSST:HighSpeedSurfaceTransport91

PermanentMaglev(PM)Berlinpermanentmagnethalflevitatingtrain,Germany928.FuelcellsBritishphysicistWilliamRobertGrove,1811-1896,producedthefirstfuelcellin1839(called“GasVoltaicbattery”atthattime).Fuelcellexteriorstructure93FuelcellasComputerpowersupply94

Maintypesoffuelcells:

Firstgeneration,alkalinefuelcell(AFC),highefficiencybutcostmuch;Second,phosphoricacidfuelcell(PAFC),advanced andverypractical;Third,moltencarbonatefuelcell(MCFC),higher efficiencythanPAFC,usedtogeneratestrong power;Fourth,solidoxidefuelcell(SOFC),usedsolid electrolyte,avoidsthedangerofelectrolytescorrosionandleakage;Fifth,protonexchangemembranefuelcell(PEMFC),closelyrelatedtohydrogenenergy;Inrecently,thereappearedanewtypefuelcellcalledmicrobialfuelcell(MFC),largepower,smallsize,andhighefficiency.959.FlywheelEnergyStorageSwitzerlandflywheelenergystoragetracktestvehiclein1955Flywheelenergystoragesystem96Applications

Powergridpeakshaving

Electricvehiclesflywheelbattery

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystem

Windpowergenerationsystem’suninterruptedpowersupply

Satelliteattitudecontrol

Dischargingpulsedhighpowersupply

Otherapplications97Flywheelenergystoragedeviceinpowersystem

Powergridpeakshaving98

ElectricvehiclesflywheelbatteryBristolnewtramcarswithflywheelpowersupply99

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystemGermanyhybridpowerlightrailtrain“LIREX”withflywheelenergystorageAmericainternalcombustionenginegenerator–flywheelenergystoragehybridpublictransit“ATTB”100Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystembesidethetrack101

SatelliteattitudecontrolFlywheelsystemofSa