北理工電氣工程基礎(chǔ)第2章

1、電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念n論述組成電力系統(tǒng)的各種能量形式以及論述組成電力系統(tǒng)的各種能量形式以及電機中機電能量轉(zhuǎn)換的概念電機中機電能量轉(zhuǎn)換的概念n討論直流傳輸與交流傳輸?shù)幕靖拍钣懻撝绷鱾鬏斉c交流傳輸?shù)幕靖拍頽闡述交流電路中有功功率、無功功率、闡述交流電路中有功功率、無功功率、視在功率及復(fù)數(shù)功率的概念。視在功率及復(fù)數(shù)功率的概念。n討論單相系統(tǒng)的缺陷、三相系統(tǒng)的優(yōu)點討論單相系統(tǒng)的缺陷、三相系統(tǒng)的優(yōu)點以及對稱三相系統(tǒng)的單相分析法。以及對稱三相系統(tǒng)的單相分析法。 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念一、電力系統(tǒng)中的能量形式一、電力系統(tǒng)中的能量形式 二、旋轉(zhuǎn)電機中的能量轉(zhuǎn)換二、旋轉(zhuǎn)電機中的能量轉(zhuǎn)換 電

2、氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念n發(fā)電廠將自然界的可用的發(fā)電廠將自然界的可用的“生生”能轉(zhuǎn)換為電能，并輸能轉(zhuǎn)換為電能，并輸送和分配這種電形式的能量至各類用戶，然后轉(zhuǎn)換為送和分配這種電形式的能量至各類用戶，然后轉(zhuǎn)換為各種有用的能量形式。各種有用的能量形式。n在電力系統(tǒng)中存在電能的附加形式，即在電力系統(tǒng)中存在電能的附加形式，即電場能、磁場電場能、磁場能能及及耗散能耗散能。發(fā)電機組中的原動機屬動力系統(tǒng)的范疇。發(fā)電機組中的原動機屬動力系統(tǒng)的范疇，它們服從剛體圍繞定軸旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，因而存在著機，它們服從剛體圍繞定軸旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，因而存在著機械能，即轉(zhuǎn)子動能與位能。械能，即轉(zhuǎn)子動能與位能。 電氣工程基礎(chǔ) 第二章

3、基本概念 式中：式中：為發(fā)電機轉(zhuǎn)子為發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械角速度（機械角速度（ rad/s） J為為發(fā)電機發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）212EJ221mvW 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念原動機對發(fā)電機轉(zhuǎn)子施加的力矩形成轉(zhuǎn)子位能。原動機對發(fā)電機轉(zhuǎn)子施加的力矩形成轉(zhuǎn)子位能。n T為原動機的轉(zhuǎn)矩為原動機的轉(zhuǎn)矩n 當(dāng)當(dāng)T恒定時恒定時rPEWT d()PErWTFxWPEmghWPE彈簧：彈簧：重力：重力：電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念n磁場能儲藏于具有磁場存在的空間內(nèi)。在電力磁場能儲藏于具有磁場存在的空間內(nèi)。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子及轉(zhuǎn)子繞組、變壓器繞系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子及轉(zhuǎn)子繞組、

4、變壓器繞組、輸電線回路及感應(yīng)電動機定子及轉(zhuǎn)子繞組組、輸電線回路及感應(yīng)電動機定子及轉(zhuǎn)子繞組都存在磁場，因而都儲藏磁場能都存在磁場，因而都儲藏磁場能 。n當(dāng)存在兩個線圈時當(dāng)存在兩個線圈時212mfLWi221 12 21 21122mfWLiL iMii電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念PWM的基本原理的基本原理理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f (t) (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)

5、f (t)f (t)電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念PWM的基本原理的基本原理Ou tOutOutSPWM波OwtUd-Ud電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念例2-1施加交流電壓至一具有電感施加交流電壓至一具有電感L的線圈，求的線圈，求 儲藏的磁場能與相應(yīng)的功率。儲藏的磁場能與相應(yīng)的功率。電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念例2-1施加交流電壓至一具有電感施加交流電壓至一具有電感L的線圈，求的線圈，求 儲藏的磁場能與相應(yīng)的功率。儲藏的磁場能與相應(yīng)的功率。解：線圈中的電流落后于電壓，并等于解：線圈中的電流落后于電壓，并等于 功率功率 上式表明功率變化速率是電壓變化速率的兩上式表明功率變化速率是電壓變化速率的

6、兩倍，并且平均功率為零。倍，并且平均功率為零。 maxmax22max22maxsin(90 )cos1cos21sin22mfmfuuittLLuWLtLdWuptdtLwwwwwwww maxi電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念 儲藏于電場中，例如電容器的極板間、傳儲藏于電場中，例如電容器的極板間、傳輸線間以及傳輸線對地之間。輸線間以及傳輸線對地之間。 212efWCu20() dWRitd t 電力系統(tǒng)中，電流流經(jīng)導(dǎo)線時因?qū)Ь€存在電力系統(tǒng)中，電流流經(jīng)導(dǎo)線時因?qū)Ь€存在電阻生成熱能散發(fā)出去而消耗掉，即耗散能。電阻生成熱能散發(fā)出去而消耗掉，即耗散能。電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念例2-2具有具有2

7、6.5uF的電容器：的電容器：（a）帶電至直流）帶電至直流電位電位110kV，問多少能量存儲于此裝置？（，問多少能量存儲于此裝置？（b）施加交流電壓施加交流電壓 ，求儲藏于電場中的能，求儲藏于電場中的能量及相應(yīng)的功率。量及相應(yīng)的功率。解解:(a) (b) maxsinutw26321126.5 10(110 10 )16032522efWCUJ222max11sin22efWCUCutw22max1sin22efdWpCutdtww電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念 電動機：電動機：將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機械功率輸出將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機械功率輸出,是主要負(fù)載。是主要負(fù)載。 發(fā)電機：發(fā)電機：將輸入機械功

8、率轉(zhuǎn)換成電功率輸出，是電力系統(tǒng)將輸入機械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出，是電力系統(tǒng)的電源。的電源。 同步電機可以作為發(fā)電機也可以作為電動機，但從發(fā)電機同步電機可以作為發(fā)電機也可以作為電動機，但從發(fā)電機過渡到電動機時，電流方向相反過渡到電動機時，電流方向相反 同步機：同步機：磁場對定子速度和轉(zhuǎn)子速度相同磁場對定子速度和轉(zhuǎn)子速度相同 異步機：異步機：有滑差有滑差s，磁場對定子速度為，磁場對定子速度為v,對轉(zhuǎn)子速度為對轉(zhuǎn)子速度為sv，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為（1-s）v。電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念u1u2riiRiup22iiruiup)(211122212uuiruupp輸入端功率：輸入端功率：輸出端功率

9、：輸出端功率： 效率：效率：電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念1.1.單相系統(tǒng)單相系統(tǒng) 2.2.對稱三相系統(tǒng)對稱三相系統(tǒng)3.3.聯(lián)接的三相負(fù)載聯(lián)接的三相負(fù)載 4.4.單相分析法單相分析法電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念sinsin()mmuutiitww是功率因數(shù)當(dāng)電壓領(lǐng)先于電流時， 規(guī)定為正無源線性一端口網(wǎng)絡(luò)無源線性一端口網(wǎng)絡(luò)電壓和電流瞬時值：電壓和電流瞬時值：+-iu電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念sinsin()1 coscos(2)2 coscos(2)m mm mpuiu ittu itUIUItwwww1122mmUuIi該端口的瞬時功率為：該端口的瞬時功率為：U和I分別為電壓與電流的有效

10、值，即均方根值：)cos()cos(21sinsin電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念coscos2cossin 2sin cos1cos2sinsin 2 pQpUIUIttUItUItppwwwwcossinPUIQUI定義定義P為有功功率，為有功功率，Q為無功功率：為無功功率：1 cos2sin2pPtQtww代入上式可得：代入上式可得： 02之間 -11之間 再定義再定義 為視在功率或伏安功率為視在功率或伏安功率UIS 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念對于對于P和和Q ，其意義闡述如下：，其意義闡述如下： 1有功功率有功功率P規(guī)定為規(guī)定為pP的平均值，其物理的平

11、均值，其物理意義是被傳送的有用功率，它的大小與功率意義是被傳送的有用功率，它的大小與功率因數(shù)因數(shù) 相關(guān)。相關(guān)。 2 2無功功率無功功率Q Q定義為定義為p pQ Q的幅值，的幅值， p pQ Q在線路在線路上往返傳送，平均值為零，所以是上往返傳送，平均值為零，所以是“無用無用”功率。但它為建立電場和磁場所必需。功率。但它為建立電場和磁場所必需。 3. P 3. P的單位用瓦（的單位用瓦（W W）、千瓦（）、千瓦（kWkW）表示，）表示，Q Q的單位一般用乏（的單位一般用乏（varvar）、千乏表示。）、千乏表示。cos電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念uijjUU eIIe(cossin ) ui

12、SU IUIUISjPjQ2222cossinSUIUIUIPQ用向量形式表示：用向量形式表示：電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念UZ IIYU及1YZ*2*2SPjQ UIZIY U 其中：Z為等效阻抗例題：有一日光燈，其電阻R=300，鎮(zhèn)流器的感抗XL=L=520，電源電壓U=220V。求（1）該日光燈消耗的有功功率和無功功率；（2）燈管電壓的有效值UR和鎮(zhèn)流器電壓的有效值UL，兩者之和是否等于電源電壓？ 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念UZ IIYU及1YZ*2*2SPjQ UIZIY U 其中：Z為等效阻抗例題：有一日光燈，其電阻R=300，鎮(zhèn)流器的感抗XL=L=520，電源電壓U=220V

13、。求（1）該日光燈消耗的有功功率和無功功率；（2）燈管電壓的有效值UR和鎮(zhèn)流器電壓的有效值UL，兩者之和是否等于電源電壓？ 解：第一步：要計算電流I。知道電壓，需要先計算總阻抗Z 燈管電流為 2222300520600LZRX2200.366600UIAZ電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念第二步：計算功率因數(shù)角（阻抗角） 第三步：根據(jù)定義計算有功功率和無功功率第四步：知道電流，可根據(jù)歐姆定律計算各自電壓。燈管電壓：鎮(zhèn)流器電壓：-1-1520tantan60300LXRcos220 0.366 cos6040.3sin220 0.366 sin6069.7varP UIWQ UI300 0.366

14、110RURIV520 0.366 190LLUX IV電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念0 0 0 2sin u02sin(120 ) u1202sin(120 ) u240abcuUtuUtuUtwww 單相系統(tǒng)具有功率脈動特性，使得電動機產(chǎn)生脈單相系統(tǒng)具有功率脈動特性，使得電動機產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。與三相電動機相比，單相電動機體積大、動轉(zhuǎn)矩。與三相電動機相比，單相電動機體積大、運行性能差、起動困難。運行性能差、起動困難。 三相系統(tǒng)可以看成由三個單相組聯(lián)而成，對稱三三相系統(tǒng)可以看成由三個單相組聯(lián)而成，對稱三相電源的三相電勢的有效值相等，相位差為相電源的三相電勢的有效值相等，相位差為120o這里這里U

15、為相電壓的有效值，上式根據(jù)為相電壓的有效值，上式根據(jù)muU21電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念2 sin()2 sin(120)2 sin(240)abciItiItiItwww120240abcIIIIII 當(dāng)三相系統(tǒng)中具有對稱負(fù)載時，則每相電流為：用矢量表示為：電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念三相傳輸系統(tǒng)的總功率為：結(jié)論：結(jié)論：（1）三相傳輸系統(tǒng)的總功率等于每相功率的三倍）三相傳輸系統(tǒng)的總功率等于每相功率的三倍 （2）三相傳輸系統(tǒng)中的瞬時功率是恒定的三相傳輸系統(tǒng)中的瞬時功率是恒定的 （3）三相發(fā)電機和三相電動機具有恒定轉(zhuǎn)矩）三相發(fā)電機和三相電動機具有恒定轉(zhuǎn)矩0.cbaiii 中性點的電流為三相

16、電流矢量和，根據(jù)三相對稱系統(tǒng)時的電流矢量和為0，即：再根據(jù)三角變換可得到：ccbbaaiuiuiup3133cos3pUIiuiuiupccbbaa電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念313sin3QUIQ定義：三相無功功率和視在功率如下：定義：三相無功功率和視在功率如下：3133SUIS電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念13YZZ 對稱三角形聯(lián)接等效為星形聯(lián)接時的阻抗關(guān)系式為：證明： 第一步：先畫圖，并計算三角形聯(lián)接時的線電流 .ZUZUIacaba （1）電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念.3aYacabIZUU 所以 （2）YacabaZUUI3. 由于不論是三角形還是星形，線電流應(yīng)該是相等的。所以比

17、較式（1）和（2），可得：13YZZ)(.baYabIIZU)(.caYacIIZU)(2.cbaYacabIIIZUU 所以0.cbaIII 又因為)(.cbaIII 第二步：計算星形聯(lián)接的線電壓電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念 對稱三相系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行情況，實際上只要進行其對稱三相系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行情況，實際上只要進行其中某一相（如中某一相（如a相）的計算，而其他兩相即相）的計算，而其他兩相即b和和c相的電相的電流和電壓根據(jù)相序關(guān)系易于求得。流和電壓根據(jù)相序關(guān)系易于求得。對于一個對稱三相系統(tǒng)，如果：對于一個對稱三相系統(tǒng)，如果： （1 1）所有元件是對稱三相連接的；）所有元件是對稱三相連接的； （2

18、 2）所有負(fù)載和電源是）所有負(fù)載和電源是Y Y形聯(lián)接的；形聯(lián)接的； （3 3）相間無電感）相間無電感則：則： （1 1）所有元件的中性點電位為零；）所有元件的中性點電位為零； （2 2）各相完全可以解耦；）各相完全可以解耦； （3 3）各元件的電流、電壓矢量相序與電源相同）各元件的電流、電壓矢量相序與電源相同電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念單相分析法計算步驟：單相分析法計算步驟： （1 1）選擇電源中性點為電壓參考點；）選擇電源中性點為電壓參考點； （2 2）將三角形聯(lián)接的負(fù)載轉(zhuǎn)化成為等效的星）將三角形聯(lián)接的負(fù)載轉(zhuǎn)化成為等效的星形聯(lián)接；形聯(lián)接； （3 3）將所有元件的中性點聯(lián)接在一起，計算）將所

19、有元件的中性點聯(lián)接在一起，計算a a相，然有檢驗相，然有檢驗b b相和相和c c相，其中相，其中b b和和c c相分別在相分別在相位上滯后相位上滯后a a相相120120o o和和240240o o相；相； （4 4）還原到原電路中求線間變量。還原到原電路中求線間變量。電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念例2-5 一對稱三相系統(tǒng)如圖所示，已知一對稱三相系統(tǒng)如圖所示，已知 ，求，求 ， 。 1 1222045a oEV2 2a oU3 3abI電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念例2-5 一對稱三相系統(tǒng)如圖所示，已知一對稱三相系統(tǒng)如圖所示，已知 ，求，求 ， 。解：對補償電容的聯(lián)接采用等效解：對補償電容的聯(lián)接采用等效Y Y代替代替，則有，則有 1 1222045a oEV2 2a oU3 3abI23YZj 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念運用單相分析法后，合并并聯(lián)支路如圖所示，等效并運用單相分析法后，合并并聯(lián)支路如