1、 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术第2章 电机与电器技术应用及发展新技术电气工程概论重庆大学出版社2022/11/19 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 电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
2、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)。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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，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
3、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
4、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(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
5、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
6、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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。由于同步发电机需要励磁装置，在部分
7、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
8、轮发电机，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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
9、量达130150万千瓦。如图2.1所示,为火电厂中的汽轮机。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(a)火力发电厂 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(b)运行中的汽轮发电机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(c)汽轮发电机的定子 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(d)汽轮发电机的转子图2.1火电厂中的汽轮发电机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
10、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.2 三峡发电厂的水轮发电机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 电气
11、工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.2 三峡发电厂的水轮发电机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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，是一种静止电机。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈
12、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。变压器主体是铁心及套在铁心上的绕组，如图2.5所示。电气工程概
13、论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.4 三相油浸式电力变压器的外形 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.5 三相油浸式电力变压器的器身 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
14、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。（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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
15、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术（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
16、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
17、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术（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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
18、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
19、应电动机的结构 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
20、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术(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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 球形电动机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
21、.11所示)也是电动机。图2.11旋转门 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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，差不多都采用笼型电动机。一些小型机床上也采用它作
22、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动机。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术2.5
23、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
24、.12所示，在自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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术机图2.12伺服电动 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
25、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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
26、术领域中得到了广泛的应用。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.14直线电动机 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.16 过
27、山车 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术2.5.3 步进电动机 步进电动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
28、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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
29、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.20 数控机床 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
30、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术2.5.4 其他特种电机 除了上述特种电机外，还有超导电机和超声波
31、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学、光学仪器、高精密机械等领域。电气工程概论 第
32、2章 电机与电气技术应用及发展技术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介质的断路器，其
33、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
34、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术27 高压电器2.7.1 高
35、压开关设备 高压开关设备主要用于在额定电压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。电气工程概论 第2章 电
36、机与电气技术应用及发展技术 断路器指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、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、
37、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 图2.21 SF6高压断路器 图2.22 低压断路器 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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
38、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.23 隔离开关 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 随着产品成套性的提高，常将上述单个的高压开
39、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.24气体绝缘金属封闭开关设备 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术
40、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术2.7.2 避雷器 避雷器用于保护电气设备免受高瞬态过电
41、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。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
42、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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。电气工
43、程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.26电容式电压互感器 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术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
44、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。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术图2.27一些低压转换开关 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 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，但继电器都有一个共同的特点，即它是一种当输入的物理量达到规定时，其电气输出电路被接通或阻断的自动电器,如图2.28所示。图2.28 继电器
45、电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术继电器的触点有三种基本形式：1、动合型（常开），线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。2、动断型（常闭），线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。3、转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电
46、器。是用于远距离、频繁地接通和分断交、直流主电路和大容量控制电路的电器。可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制（某些型别可达800安培）电路的装置，所以经常运用于电动机做为控制对象也可用作控制工厂设备电热器工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制。其主要的控制对象为电动机，也可用作控制电热设备、电照明、电焊机和电容器组等电力负载。接触器具有较高的操作频率，最高操作频率可达每小时1200次。接触器的寿命长，机械寿命一般为数百万次至一千万次，电寿命一般为数十万次至数百万次。电气工程概论 第
47、2章 电机与电气技术应用及发展技术 接触器也是低压电器中使用广泛的设备，如图2.29所示。图2.29 接触器 电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 低压电器根据它在电气线路中所处的地位和作用，可归纳为低压配电电器和低压控制电器两大类。由于这两类低压电器在电路中所处的地位与作用不同，对它们的性能要求也有较大的差异。配电电器一般不需要频繁操作，对承担保护功能的配电电器应有较高的分断能力。控制电器则一般不分断大电流，而其动作则相对频繁，因此要求控制电器有较高的操作寿命。低压电器按照它的动作方式可分为机械动作电器(即有触点开关电器)和非机械动作器。机械动作电器又可分为自动切换电器和非自动
48、切换电器。自动切换电器在完成接通、分断动作时，依靠本身参数的变化或外来信号而自动进行工作，非自动切换电器依靠外力完成动作。目前，世界各国都十分重视低压电器的发展，并注意将微电子等新技术以及新工艺、新材料应用于低压电器的改进与新产品开发，特别是在低压电器智能化、模块化、组合化、电子化、多功能化等方面已取得了很大进展。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术2.9 电气控制技术的发展 随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求，电气控制技术迅速发展。在控制方法上主要是从手动控制到自动控制；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上由笨重到轻巧；从控制原理上，由单一的有触点硬接线继电器控
49、制系统转向以微处理器为中心的软件控制系统。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，不断地推动着电气控制技术的继续发展。生产机械电力拖动的初期，常以一台电动机拖动多台设备，或是一台机床的多个动作由同一台电动机拖动，相应的电气控制线路比较简单。随着生产机械功能增多、自动化程度的提高，其机械传动系统也越来越复杂，为了简化传动机构而出现分散拖动形式，即各个运动机构分别有不同电动机拖动，这使电气控制线路进一步复杂化。此外，在生产过程中，对影响产品质量的各种参数都要求能自动调整，促使电气自动控制技术迅速向前发展控制线路日趋完善。电气工程概论 第2章 电机与电气技术应用及发展技术 初期，常用的控制电器有
50、继电器、接触器等，用这种电器进行的控制称为继电器接触器控制，这是一种有触点的控制方式。长期以来，继电器接触器控制在控制设备中发挥了很大的作用，直到今天，在一般工厂的控制设备中，还占有很大的比重。继电器接触器控制虽然有价廉易学的特点，但是在对于经常需要变换控制线路的设备来说，存在着改接困难和周期长的缺点。为了生产需要和提高加工精度，人们开始研究容易改变顺序的可编程控制器。在20世纪60年代出现了一种能够根据生产需要，方便地改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉的自动化装置顺序控制器，它能满足程序经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性和通用性。由于它兼备了计算机控制和继电器控制
