1 基本概念 陀螺仪（ gyroscope）的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是 不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车 其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪 在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。 然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪 发生的进动是在重力力矩的作用下发生的。 陀螺仪多用于导航、定位等系统，常用实例如手机GPS定位导航、卫星三轴陀螺仪定位。陀 螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所 制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快，或者惯量够大（也可以说是角动量要够大）。不然， 只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。 2 陀螺发展历史 1850年法国的物理学家莱昂傅科（ J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转 子（ rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 18世纪欧拉建立的动力学方程和欧拉运动学方程，为陀螺运动的理论奠定了基础。但是制造 出一个实用的陀螺却经历了长时间的探索。19世纪中期，随着钢制外壳船舶的出现，原来所用的 磁罗盘不再适用，因而用陀螺导航的要求日益迫切。在第一次世界大战中，美国海军制成了陀螺 导航仪，并很快被其他国家所采用。随着航海和航空事业的发展，陀螺仪已成为不可缺少的精密 导航仪器。20世纪初出现了飞机的陀螺稳定器和自动驾驶仪。但直到1940年后，陀螺罗盘才完全 代替了磁罗盘，1950年出现了惯性导航系统。 不论制造得多么精密的陀螺，要完全消除轴承的摩擦力并使质心和支点重合是不可能的，因 而就会产生外加干扰力矩的作用，引起陀螺转子自转轴的缓慢进动，称为陀螺漂移。这时的进动 角速度称为漂移角速度。陀螺漂移角速度的大小是衡量陀螺精度高低的标志。为最大限度地减少 漂移，近代陀螺的研究课题主要是如何实现无干扰力矩的支承。主要途径是用电场力来代替支架， 实现无支承悬浮。如果转子是个标准的球形，则电场力通过其中心，从而实现无摩擦的悬浮。另刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 2 页 一个途径是用磁场力来实现转子的悬浮，但要求转子必须是用超导体制造的，才能使磁力线垂直 于球形转子的表面且不穿透它的表面。这就是近代电陀螺和磁陀螺的基本设想。 3 刚体陀螺仪结构 从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点， 而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运 动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺 的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 图1 陀螺仪结构 陀螺仪的基本部件有： 1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴 高速旋转，并见其转速近似为常值)； 2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)； 3) 附件(是指力矩马达、信号传感器、控制器等)。 4 陀螺仪工作原理 陀螺仪，是一个圆形的中轴的结合体。而事实上，静止与运动的陀螺仪本身并无区别，如果 静止的陀螺仪本身绝对平衡的话，抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀 螺仪本身尺寸不平衡的话，在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒，因此不均衡的陀螺仪必然依 靠旋转来维持平衡。刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 3 页 陀螺仪本身与引力有关，因为引力的影响，不均衡的陀螺仪，重的一端将向下运行，而轻的 一端向上。在引力场中，重物下降的速度是需要时间的，物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋 转的速度时，将导致陀螺仪偏重点，在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡，并形成一个向上旋 转的速度方向。当然，如果陀螺仪偏重点太大，陀螺仪自身的左右互作用力也将失效！。 而在旋转中，陀螺仪如果遇到外力导致，陀螺仪转轮某点受力。陀螺仪会立刻倾斜，而陀螺 仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速，这时受力点，会因为陀螺仪倾斜，在旋转的推动下， 陀螺仪受力点将从斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角运行时，陀螺仪受力点的势能还在向下运 行。这就导致陀螺仪到达斜上角时，受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时，势能向下推动。 而与受力点相反的直径另一端，同样具备了相应的势能，这个势能与受力点运动方向相反， 受力点向下，而它向上，且管这个点叫“联动受力点”。当联动受力点旋转180度，从斜上角到达 斜下角，这时联动受力点，将陀螺仪向上拉动。在受力点与联动受力互作用力下，陀螺仪回归平 衡。 5 实验原理 陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（ inertia or rigidity），另一是进动性（ precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。 5.1 定轴性 当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支 架上的 陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。如果我们以地球为基准， 则可以认为三自由度陀螺相对于地球运动，这种运动称为陀螺的假视运动或视在运动。视在运动 是陀螺稳定性的表现。 其惯性随以下的物理量而改变： 1）转子质量愈大，转动惯量I愈大； 2）转子旋转半径愈大，转动惯量I愈大； 3）转子旋转速度愈高，转动惯量I愈大； 5.2 进动性刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 4 页 在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运 动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是进动性。 进动性的大小也有三个影响的因素： 1）外界作用力愈大，其进动性也愈大； 2）转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，进动性愈小； 3）转子的角速度愈大，进动性愈小； 而进动方向可根据进动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。 6 实验系统性能 1）刚体陀螺仪  尺寸：200*200*200mm  重量: 1.6Kg 2）转子电机：直流无刷电机（双电机结构）； 3）电机转速：0~6000r/min（可调）； 4）电源  电压：DC +12V  电流：3A 7 实验系统特点 1）采用三自由度刚体陀螺结构，可进行完善的陀螺实验及演示；刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 5 页 2）转子电机采用高速无刷电机，转速平稳，寿命长； 3）转子采用双电机结构，保障了转子的对称性，并加大了转子驱动力矩，启动速度快； 4）配置有专用控制器，可以完成转子转速控制，方便实验； 8 实验操作 将刚体陀螺仪器平放在桌面上，仪器周转保留一定空间。 1）接通电源，打开开关； 2）设置转子转速：大、中、小； 3）启动陀螺，观察陀螺转子转速是否已经稳定； 4）定轴性实验 当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支 架上的陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。 当陀螺转子高速旋转稳定后，手持基座分别绕刚体陀螺三个轴转动，观测刚体陀螺仪转子轴 的指向的变化。 分别改变转子转速大中小，观测陀螺转子轴的变化。 5）进动性实验 进动性是三自由度陀螺仪的一个基本特性。陀螺仪绕着与外力矩矢量相垂直的方向的转动， 叫做进动，其转动角速度叫做进动角速度。 进动角速度的方向取决于转子动量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自转方向转动 90°即为进动角速度( )矢量方向。或者用右手定则记忆：从动量矩H沿最短路径握向外力矩M的 右手旋进方向，即为进动角速度方向。 通过控制器可改变转子飞轮正反转、转速，从而控制动量矩H的方向和大小，通过内框两侧 不同一侧加挂已知重量砝码，改变外力矩M的大小和方向，动量矩H为转子转动惯量和转速的乘 积，方向符合右手定则 进动角速度计算公式：ω=M/H sinθ 当θ=90°时，sinθ=1，所以 ω=M/H =M/Iωr 6）关闭电源，断开开关；刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED 上海紫航电子科技有限公司 Tel：54170805 Fax：54170905 共 7 页 / 第 6 页 7）撤收仪器设备。 9 适用课程 惯性传感器原理、惯性导航原理、导航制导与控制、飞行控制原理、无人机实训实验、基础 力学、刚体力学、陀螺力学、理论力学、新型传感器原理及应用等。 10 注意事项 1）陀螺飞轮高速旋转时，不可用手触摸或试图阻止其转转； 2）实验系统工作时，尤其是陀螺转子处于高速旋状态下，必须有人在场； 3）刚体陀螺仪属于精密机械结构，操作中应当轻拿轻放，以免损坏设备。

轴系部件拆装与分析实验是针对轴系结构开设的实验。实验分组进行，每组2人，课内4学时。为使学生了解并掌握更多不同类型的轴系结构形式，实验中为学生提供12种不同结构形式的方案，配有相关零部件实验箱。学生自行选择方案，按所选方案自行组装，然后画出轴系部件结构草图并进行测绘。每个环节指导教师逐一进行检查，实验课结束前指导教师在草图上签字。课后按要求做实验报告，并画正规轴系部件结构图一张。该实验为学生完成轴系部件设计大作业和课程设计奠定了良好基础。该实验装置2009年获黑龙江省教学成果二等奖。

本发明公开了一种风力发电系统背靠背变流器的容错控制方法及系统，该方法在确定背靠背变流器六个桥臂中发生故障的桥臂后，将剩余的五个健康桥臂重构为五桥臂变流器，利用双向晶闸管将原故障桥臂对应相连接至健康桥臂，该健康桥臂被定义为公共桥臂；为了避免容错控制下公共桥臂过流，检测公共桥臂的电流，若公共桥臂电流大于电流预警值，调节发电机转速，从而控制公共桥臂上发电机侧与网侧对应相的相位差在120。—240。内，实现风力发电并网系统的正常运行。本发明涉及的容错控制方法能够实现系统在变流器故障下的不间断容错运行，同时可以保持公共桥臂不过流，具有良好的鲁棒性。

小试阶段/n■新能源■节能环保和资源综合利用*成果简介该项目可解决的问题：从物理本质上解决三大问题：1、解决并网逆变器及滤波器遭受过电压和过电流的冲击的问题，从而提高风电机组/光伏发电并网的电网电压质量、提高并网逆变器的安全稳定运行水平和使用寿命；2、解决风电机组/光伏发电系统出力不足时，电网向并网滤波器倒送电，导致电网电压偏高，保护动作跳闸，弃风弃光的问题，增加风电机组/光伏发电出力、提高风电机组/光

本发明公开了一种阶段式电流保护整定方法及发电机模型，包 括下述步骤：当进行瞬时电流速断保护的整定时，采用时间段为[0， Δt]的发电机模型，根据瞬时电流速断保护的整定原则，获得线路 i 首 端瞬时电流速断保护的一次电流整定值，当进行限时电流速断保护的 整定时，采用时间段为<img file=""DDA0000599275030000011.GIF"" wi=""366""he=""75"" />的发电机模型，根据限时电流速断保护的整定 原则，获得线路 i 首端限时电流速断保护的一次电流整

本发明公开了一种发电机定子单相接地故障的精确定位方法。 该方法包括步骤：根据定子绕组展开图，形成定子绕组各匝线圈归一 到相电动势的电势相量分布特性；进而利用发电机机端电压和电流测 量值，实时计算当前工况下故障前三相定子绕组各匝线圈的感应电动 势、定子绕组任一点到中性点的电压相量；发生定子单相接地故障时， 基于所求得的中性点到故障点电压相量值，根据故障前的定子绕组各 匝线圈电压相量分布特性，搜索确定接地故障点的精确位置。 

采用基于有机朗肯循环（ORC）的工业余热回收动力装置是工业余能回收的一种有效途径。而ORC系统发动机（透平）是影响整个系统技术经济性能的关键设备。本项目主要对一种低成本、结构紧凑、流体适用范围广的带叶盘式附面层透平技术开展研究。与常见的向心透平和双螺杆透平等相比，盘式附面层透平具有结构简单、机械加工要求低和成本低廉等特点。此外，盘式附面层透平主要依赖于粘性流体与盘片间摩擦力矩实现热转功，而ORC系统一般采用的有机工质相对于水、空气等具有更高的粘性，这也使得盘式透平应用于ORC系统后，可能具有更佳的

一种公路收费站减速带能量回收发电系统，通过减速带下方的板簧上的垂向连杆与扇形齿轮相连；再由扇形齿轮分别驱动内啮合棘轮机构一、内啮合棘轮机构二，带动发电机一、发电机二分别在减速带下压和恢复过程中发电。该种发电系统结构简单、成本低、使用安全可靠、发电效率高、不污染环境。

超临界二氧化碳动力循环（简称sCO2循环），采用超临界CO2为工作介质实现热功转换，具有三个优势：①CO2化学性质稳定，高温下与金属材料反应弱，为进一步提高主蒸汽参数奠定了基础。②当主蒸汽温度超过550℃ 时，sCO2循环效率高于水蒸汽朗肯循环。③sCO2循环整个系统高压运行，系统紧凑。在燃煤发电、核能、太阳能、余热利用等领域具备应用前景。 2017年以来，华北电力大学徐进良教授团队在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委重点基金、国家能源集团重大项目的支持下，对sCO2燃煤发电系统的热力循环构建、超临界CO2传热特性、sCO2锅炉及透平等关键部件概念设计等开展了研究，取得了重要进展。相关成果获得中国电力科学技术杰出贡献奖，基于相关成果获评全国高校黄大年式教师团队，接受科技日报专访：加上高温高压二氧化碳也能当发电“能手”，重点论文入选SDG7研究论文精选集，该文集是过去5年Elsevier能源类期刊针对联合国可持续发展目标的精选论文（中国约20篇），是能源领域发展的关键性研究资源。具体成果如下： 1、超临界二氧环塔燃煤发电循环构建关键技术 引入协同学，提出多级压缩sCO2循环，结合再热及间冷，构成sCO2循环提升效率的广义路径。是国家能源集团sCO2燃煤发电技术路线的基础。提出能量复叠利用原理解决循环与热源耦合面临的烟气热量全温区吸收难题，是国家重点研发计划项目中sCO2燃煤发电烟气余热吸收的关键技术。相关技术已授权美国专利1项，中国专利4项。 2、sCO2锅炉关键技术 围绕sCO2燃煤发电锅炉面临的关键难点问题，使用分流减阻、模块化设计锅炉解决压降惩罚效应，相关成果获得国内外广泛应用。提出受热面温度控制技术，形成锅炉锅侧与炉侧协同设计方法。获得燃煤sCO2循环及全生命周期特性，构建循环侧动态响应及尺度标度律，解决机组深度调峰关键问题，从效率、经济性、动态特性等方面全面论证了sCO2燃煤发电优势。相关技术已授权中国专利3项。 3、sCO2传热及换热器关键技术 提出类沸腾理论，建立高温高压实验台，具备取得数据的能力，能够对sCO2循环关键受热面的流动阻力、传热系数进行精确预测，关联式精度明显改善，并在此基础上提出了sCO2水冷壁设计，对超临界应用技术开发具有广义指导意义。相关成果被国家能源集团新能源研究院、西安热工院等相关研究机构广泛引用，推动了我国sCO2燃煤发电技术的发展。同时具备回热器的设计能力，形成了sCO2多台回热器传并联网络设计技术。 4、太阳能光热发电与低品位能源利用技术 科研团队对中高温超临界二氧化碳太阳能发电的系统设计具有丰富经验，同时在中低温太阳能与余热利用领域深耕多年。自主研发了有机朗肯循环ORC发电系统，实现了专利向企业转让，推动了ORC在余热利用、制氢、海水淡化等领域的工程应用，对系统热力学优化及工质筛选、多目标参数优化及全生命周期评价、膨胀机中多相流理论及实验等方面具有深厚基础。相关技术已授权中国专利10项。 超高参数CO2流动传热实验平台（包括主循环回路系统、冷却水循环系统、工质充液回收系统以及数据采集系统，最大运行压力和温度分别为25MPa和500oC，实现全周均匀加热和半周非均匀加热，获得了丰富的实验数据，弥补了超高参数传热数据的不足，为发展新的超临界传热理论提供数据支撑，为锅炉设计提供第一手数据资料。） 1000MW级sCO2燃煤发电系统图（采用了以下创新性成果：锅炉模块化设计，消除了压降惩罚效应；引入协同学原理，构建了三压缩循环；能量复叠利用原理，实现烟气热量全温区吸收。在透平入口参数为630℃/35 MPa条件下，发电效率达到51%，比现有超超临界水蒸气机组提高4个百分点。） 团队通过原始创新，在该领域具备较强的竞争力，能够独立承担该领域的项目。同时在本领域具有较强的影响力，与国内多家高校团队、科研院所、重点企业有实质合作。 创新点 1、提出了能量复叠利用原理及设备共享概念，解决了sCO2循环平台搭建关键难题。 2、发明了模块化二氧化碳锅炉，消除了由于大流量引起的压降惩罚效应，为sCO2锅炉的研发提供可行的技术路径； 3、提出了超临界类沸腾理论，建立了超高参数二氧化碳传热系统，为sCO2换热器设计制造提供支撑。 应用案例 本成果是国家重点研发计划项目：“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”的主要支撑，是国家自然科学基金委重点项目的主要研究对象，同时本成果应用于我国国家能源集团~20MW燃煤超临界二氧化碳平台设计。 获奖情 获得中国电力科学技术杰出贡献奖。

（专利号：ZL 201510044647.9） 简介：本发明公开了一种太阳灶式光伏‑光热‑温差发电综合利用系统，属于太阳能利用领域。本发明的太阳灶式光伏‑光热‑温差发电综合利用系统，包括光热采集系统、水路循环系统和双面集热器，光热采集系统中的伸缩杆与置物圈把柄铰连，通过置物圈把柄与伸缩杆使置物圈与聚光太阳灶的外圆口所在面平行设置；在置物圈上安装有双面集热器，该双面集热器由上部光伏组件、中部集热总成和下部光伏组件组成，且双面集热器通过通水管