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(jī)中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的概念電機(jī)中機(jī)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(wú)功功率、闡述交流電路中有功功率、無(wú)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(diǎn)討論單相系統(tǒng)的缺陷、三相系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)的單相分析法。以及對(duì)稱(chēng)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(jī)中的能量轉(zhuǎn)換二、旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(lèi)用戶(hù)，然后轉(zhuǎn)換為送和分配這種電形式的能量至各類(lèi)用戶(hù)，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(chǎng)能、磁場(chǎng)電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能能及及耗散能耗散能。發(fā)電機(jī)組中的原動(dòng)機(jī)屬動(dòng)力系統(tǒng)的范疇。發(fā)電機(jī)組中的原動(dòng)機(jī)屬動(dòng)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(jī)，它們服從剛體圍繞定軸旋轉(zhuǎn)的規(guī)律，因而存在著機(jī)械能，即轉(zhuǎn)子動(dòng)能與位能。械能，即轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（機(jī)械角速度（ rad/s） J為為發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）212EJ221mvW 電氣工程基礎(chǔ) 第二章 基本概念原動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子施加的力矩形成轉(zhuǎn)子位能。原動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子施加的力矩形成轉(zhuǎn)子位能。n T為原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩n 當(dāng)當(dāng)T恒定時(shí)恒定時(shí)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(chǎng)能儲(chǔ)藏于具有磁場(chǎng)存在的空間內(nèi)。在電力磁場(chǎng)能儲(chǔ)藏于具有磁場(chǎng)存在的空間內(nèi)。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子繞組、變壓器繞系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)定子及轉(zhuǎn)子繞組組、輸電線回路及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子及轉(zhuǎn)子繞組都存在磁場(chǎng)，因而都儲(chǔ)藏磁場(chǎng)能都存在磁場(chǎng)，因而都儲(chǔ)藏磁場(chǎng)能 。n當(dāng)存在兩個(gè)線圈時(shí)當(dāng)存在兩個(gè)線圈時(shí)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(shí)，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(chǔ)藏的磁場(chǎng)能與相應(yīng)的功率。儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)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(chǔ)藏的磁場(chǎng)能與相應(yīng)的功率。儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)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(chǔ)藏于電場(chǎng)中，例如電容器的極板間、傳儲(chǔ)藏于電場(chǎng)中，例如電容器的極板間、傳輸線間以及傳輸線對(duì)地之間。輸線間以及傳輸線對(duì)地之間。 212efWCu20() dWRitd t 電力系統(tǒng)中，電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)因?qū)Ь€存在電力系統(tǒng)中，電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)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(wèn)多少能量存儲(chǔ)于此裝置？（，問(wèn)多少能量存儲(chǔ)于此裝置？（b）施加交流電壓施加交流電壓 ，求儲(chǔ)藏于電場(chǎng)中的能，求儲(chǔ)藏于電場(chǎng)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(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)：將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出,是主要負(fù)載。是主要負(fù)載。 發(fā)電機(jī)：發(fā)電機(jī)：將輸入機(jī)械功

8、率轉(zhuǎn)換成電功率輸出，是電力系統(tǒng)將輸入機(jī)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(jī)可以作為發(fā)電機(jī)也可以作為電動(dòng)機(jī)，但從發(fā)電機(jī)同步電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)也可以作為電動(dòng)機(jī)，但從發(fā)電機(jī)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)時(shí)，電流方向相反過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)時(shí)，電流方向相反 同步機(jī)：同步機(jī)：磁場(chǎng)對(duì)定子速度和轉(zhuǎn)子速度相同磁場(chǎng)對(duì)定子速度和轉(zhuǎn)子速度相同 異步機(jī)：異步機(jī)：有滑差有滑差s，磁場(chǎng)對(duì)定子速度為，磁場(chǎng)對(duì)定子速度為v,對(duì)轉(zhuǎn)子速度為對(duì)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(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)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(shí)， 規(guī)定為正無(wú)源線性一端口網(wǎng)絡(luò)無(wú)源線性一端口網(wǎng)絡(luò)電壓和電流瞬時(shí)值：電壓和電流瞬時(shí)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(shí)功率為：該端口的瞬時(shí)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(wú)功功率：為無(wú)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(duì)于對(duì)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(wú)功功率無(wú)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(wú)用無(wú)用”功率。但它為建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)所必需。功率。但它為建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(wú)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(wú)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(jì)算電流I。知道電壓，需要先計(jì)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(jì)算功率因數(shù)角（阻抗角） 第三步：根據(jù)定義計(jì)算有功功率和無(wú)功功率第四步：知道電流，可根據(jù)歐姆定律計(jì)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(dòng)特性，使得電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈單相系統(tǒng)具有功率脈動(dòng)特性，使得電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。與三相電動(dòng)機(jī)相比，單相電動(dòng)機(jī)體積大、動(dòng)轉(zhuǎn)矩。與三相電動(dòng)機(jī)相比，單相電動(dòng)機(jī)體積大、運(yùn)行性能差、起動(dòng)困難。運(yùn)行性能差、起動(dòng)困難。 三相系統(tǒng)可以看成由三個(gè)單相組聯(lián)而成，對(duì)稱(chēng)三三相系統(tǒng)可以看成由三個(gè)單相組聯(lián)而成，對(duì)稱(chēng)三相電源的三相電勢(shì)的有效值相等，相位差為相電源的三相電勢(shì)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(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)，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(shí)功率是恒定的三相傳輸系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率是恒定的 （3）三相發(fā)電機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)具有恒定轉(zhuǎn)矩）三相發(fā)電機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)具有恒定轉(zhuǎn)矩0.cbaiii 中性點(diǎn)的電流為三相

16、電流矢量和，根據(jù)三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)時(shí)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(wú)功功率和視在功率如下：定義：三相無(wú)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(duì)稱(chēng)三角形聯(lián)接等效為星形聯(lián)接時(shí)的阻抗關(guān)系式為：證明： 第一步：先畫(huà)圖，并計(jì)算三角形聯(lián)接時(shí)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?yàn)?(.cbaIII 第二步：計(jì)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(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，實(shí)際上只要進(jìn)行其對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，實(shí)際上只要進(jìn)行其中某一相（如中某一相（如a相）的計(jì)算，而其他兩相即相）的計(jì)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(duì)于一個(gè)對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)，如果：對(duì)于一個(gè)對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)，如果： （1 1）所有元件是對(duì)稱(chēng)三相連接的；）所有元件是對(duì)稱(chēng)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(wú)電感）相間無(wú)電感則：則： （1 1）所有元件的中性點(diǎn)電位為零；）所有元件的中性點(diǎn)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(jì)算步驟：?jiǎn)蜗喾治龇ㄓ?jì)算步驟： （1 1）選擇電源中性點(diǎn)為電壓參考點(diǎn)；）選擇電源中性點(diǎn)為電壓參考點(diǎn)； （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(diǎn)聯(lián)接在一起，計(jì)算）將所

19、有元件的中性點(diǎn)聯(lián)接在一起，計(jì)算a a相，然有檢驗(yàn)相，然有檢驗(yàn)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(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)如圖所示，已知一對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)如圖所示，已知一對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)如圖所示，已知 ，求，求 ， 。解：對(duì)補(bǔ)償電容的聯(lián)接采用等效解：對(duì)補(bǔ)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(yùn)用單相分析法后，合并并聯(lián)支路如圖所示，等效并運(yùn)用單相分析法后，合并并聯(lián)支路如