《交流電源》課件

交流電源概述交流電源是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過電流周期性變化提供能量傳輸。課程目標(biāo)掌握交流電基本原理理解正弦交流電特性與數(shù)學(xué)表示熟悉交流電路分析方法能夠計(jì)算復(fù)雜交流電路的電壓、電流和功率認(rèn)識(shí)交流電源設(shè)備了解發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)工作原理理解電源質(zhì)量與安全交流電基本概念定義方向和大小隨時(shí)間周期性變化的電流特點(diǎn)可以通過變壓器改變電壓，便于長距離輸電應(yīng)用家用電器、工業(yè)設(shè)備和電力系統(tǒng)正弦交流電的特征波形遵循正弦函數(shù)變化規(guī)律幅值波形達(dá)到的最大值周期完成一次完整振蕩所需時(shí)間相位波形在時(shí)間軸上的相對位置頻率和周期頻率定義單位時(shí)間內(nèi)完成的周期性變化次數(shù)單位：赫茲(Hz)標(biāo)準(zhǔn)工頻：50Hz(中國)/60Hz(美國)周期定義完成一次完整振蕩所需時(shí)間單位：秒(s)周期T=1/頻率f相位和相位差相位定義交流量在一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)位置1相位差兩個(gè)同頻率交流量之間的相位角度差異2超前與滯后相位差為正表示超前，為負(fù)表示滯后3應(yīng)用三相系統(tǒng)中的相位差為120°4有效值和平均值1平均值一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)值的代數(shù)平均正弦交流電的平均值為零2有效值產(chǎn)生相同熱效應(yīng)的直流電值正弦波有效值=最大值/√23實(shí)際應(yīng)用儀表顯示的通常是有效值家用電為220V指的是有效值交流電的數(shù)學(xué)表示時(shí)域表示i=Imsin(ωt+φ)相量表示I=Im∠φ復(fù)數(shù)表示I=a+jb相量表示法1簡化計(jì)算將時(shí)域微分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程2幾何表示用旋轉(zhuǎn)向量表示正弦量3復(fù)數(shù)形式結(jié)合實(shí)部和虛部交流電路元件：電阻歐姆定律適用U=IR電壓電流同相φ=0°能量轉(zhuǎn)換電能轉(zhuǎn)化為熱能阻抗特性Z=R交流電路元件：電感電感定義儲(chǔ)存磁場能量的元件電壓電流關(guān)系U=L·di/dt相位特性電流滯后電壓90°感抗計(jì)算XL=ωL=2πfL交流電路元件：電容定義儲(chǔ)存電場能量的元件電壓電流關(guān)系I=C·du/dt相位特性電流超前電壓90°容抗計(jì)算XC=1/(ωC)=1/(2πfC)RLC串聯(lián)電路電阻消耗有功功率電感儲(chǔ)存磁場能量電容儲(chǔ)存電場能量總阻抗Z=√(R2+(XL-XC)2)RLC并聯(lián)電路Y導(dǎo)納Y=1/Z，表示電路對電流的通過能力G電導(dǎo)G=1/R，電阻的倒數(shù)B電納B=BC-BL，容納與感納之差交流電路的功率有功功率實(shí)際消耗的能量，單位為瓦特(W)無功功率僅在電路中往復(fù)振蕩，單位為乏(var)視在功率有功與無功的合成，單位為伏安(VA)有功功率、無功功率和視在功率有功功率P感性無功功率QL容性無功功率QC功率因數(shù)功率因數(shù)校正低功率因數(shù)問題導(dǎo)致線路損耗增加和供電能力下降并聯(lián)電容補(bǔ)償向感性負(fù)載提供容性無功功率同步補(bǔ)償器通過調(diào)整勵(lì)磁電流改變功率因數(shù)效益分析降低電費(fèi)支出，提高設(shè)備利用率諧振電路諧振條件XL=XCωL=1/ωC諧振頻率：f?=1/(2π√LC)諧振特點(diǎn)阻抗達(dá)到極值電路電壓或電流達(dá)到最大電路呈純電阻性串聯(lián)諧振最小阻抗Z=R最大電流I=U/R品質(zhì)因數(shù)Q=ω?L/R=1/(ω?CR)通頻帶Δf=f?/Q并聯(lián)諧振三相交流電源系統(tǒng)定義由三個(gè)頻率相同、振幅相等、相位差120°的正弦電壓組成特點(diǎn)功率傳輸穩(wěn)定，效率高，可生成旋轉(zhuǎn)磁場應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)用電、電力傳輸系統(tǒng)、大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)三相電源的優(yōu)勢功率輸出穩(wěn)定瞬時(shí)功率恒定2銅材利用率高同功率下導(dǎo)線截面積減少25%產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場可實(shí)現(xiàn)簡單高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)星形連接1234結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)繞組一端連接形成中性點(diǎn)電壓關(guān)系線電壓等于相電壓的√3倍電流關(guān)系線電流等于相電流應(yīng)用場景需要中性線的低壓配電系統(tǒng)三角形連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三個(gè)繞組首尾相連形成閉環(huán)電壓關(guān)系線電壓等于相電壓電流關(guān)系線電流等于相電流的√3倍應(yīng)用場景大功率工業(yè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相平衡負(fù)載定義三相負(fù)載阻抗相等且性質(zhì)相同功率特性瞬時(shí)功率恒定，無脈動(dòng)中性線電流星形連接中性線電流為零4典型應(yīng)用三相電動(dòng)機(jī)、三相電爐三相不平衡負(fù)載IN中性線電流不為零，需考慮中性線載流能力P功率波動(dòng)瞬時(shí)功率存在波動(dòng)η效率降低線路損耗增加，設(shè)備利用率下降三相功率計(jì)算交流發(fā)電機(jī)原理電磁感應(yīng)導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使磁場相對定子繞組切割頻率關(guān)系f=np/60，n為轉(zhuǎn)速，p為極對數(shù)電壓調(diào)節(jié)通過調(diào)整勵(lì)磁電流控制輸出電壓同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)子帶有直流勵(lì)磁繞組定子帶有三相交流繞組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率同步工作原理轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場磁場切割定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)速n=60f/p異步發(fā)電機(jī)變壓器原理工作原理基于電磁感應(yīng)定律構(gòu)成部件鐵芯、初級(jí)繞組和次級(jí)繞組變壓比關(guān)系電壓比等于匝數(shù)比功率傳遞理想變壓器輸入功率等于輸出功率變壓器類型電力變壓器用于電力系統(tǒng)的升壓和降壓儀表變壓器為測量儀表提供標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流電子變壓器用于電子設(shè)備中的低壓電源變壓器損耗鐵損銅損雜散損耗介質(zhì)損耗自耦變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原、副邊共用一部分繞組優(yōu)點(diǎn)體積小，銅耗低，效率高缺點(diǎn)原、副邊無電氣隔離應(yīng)用場景電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、電壓調(diào)整交流電動(dòng)機(jī)原理旋轉(zhuǎn)磁場三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場電磁力矩轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過改變頻率或極對數(shù)功率傳遞電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率同步電動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)轉(zhuǎn)速恒定，與電源頻率同步轉(zhuǎn)速計(jì)算n=60f/p，f為頻率，p為極對數(shù)功率因數(shù)可通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流調(diào)整應(yīng)用場合大功率恒速驅(qū)動(dòng)，如壓縮機(jī)、水泵異步電動(dòng)機(jī)1工作原理基于電磁感應(yīng)和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)差率s=(n?-n?)/n?3轉(zhuǎn)矩特性存在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩單相電動(dòng)機(jī)電容啟動(dòng)型啟動(dòng)時(shí)使用輔助繞組和電容分相啟動(dòng)型利用主、輔繞組電流相位差鼠籠式轉(zhuǎn)子由鋁條和端環(huán)組成的籠形結(jié)構(gòu)交流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)超高壓：500kV及以上高壓：110kV~330kV中壓：10kV~35kV系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)電廠變電站輸電線路配電網(wǎng)絡(luò)輸電方式架空輸電電纜輸電柔性交流輸電高壓輸電的優(yōu)勢1傳輸容量大同等線徑下可傳輸更大功率2線損降低同等功率下電流減小，I2R損耗降低3輸電距離遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量能源輸送4經(jīng)濟(jì)性好降低線路材料成本和運(yùn)行費(fèi)用輸電線路損耗熱損耗由電流流過電阻產(chǎn)生電暈損耗高壓線周圍空氣電離產(chǎn)生漏電損耗經(jīng)絕緣子表面泄漏電流造成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)抵抗小擾動(dòng)的能力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)抵抗大擾動(dòng)的能力電壓穩(wěn)定性維持所有節(jié)點(diǎn)電壓的能力頻率穩(wěn)定性平衡有功功率的能力交流電源質(zhì)量問題諧波污染非線性負(fù)載產(chǎn)生的高頻分量電壓閃變電壓幅值的快速波動(dòng)電壓驟降短時(shí)間內(nèi)電壓幅值降低三相不平衡三相電壓或電流幅值、相位不等諧波污染電壓波動(dòng)和閃變定義電壓幅值的連續(xù)或隨機(jī)變化閃變是電壓波動(dòng)導(dǎo)致的視覺效果產(chǎn)生原因大型負(fù)載的啟停電弧爐等波動(dòng)性負(fù)載風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率波動(dòng)電壓驟降和中斷電壓驟降電壓有效值降至額定值的10%-90%2短時(shí)中斷電壓降至額定值的10%以下主要原因短路故障、大型設(shè)備啟動(dòng)不良影響設(shè)備誤動(dòng)作、生產(chǎn)中斷電源質(zhì)量改善措施無功補(bǔ)償技術(shù)靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)利用晶閘管控制的電感或電容實(shí)現(xiàn)快速無功調(diào)節(jié)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)使用電壓源逆變器提供連續(xù)可調(diào)的無功功率被動(dòng)無功補(bǔ)償固定或可投切的電容器組、濾波補(bǔ)償裝置有源濾波器工作原理檢測負(fù)載電流中的諧波成分補(bǔ)償方式產(chǎn)生與諧波相等幅值、相反相位的電流核心部件功率電子器件和數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用場景變頻器、UPS、整流器等諧波源豐富的場合不間斷電源（UPS）在線式UPS雙重轉(zhuǎn)換，完全隔離市電1后備式UPS市電中斷時(shí)才切換到逆變供電2線路交互式UPS具有電壓調(diào)節(jié)功能的后備式UPS3應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)4交流電源的測量V電壓測量電壓表并聯(lián)在被測電路兩端A電流測量電流表串聯(lián)在被測電路中W功率測量功率表電壓線并聯(lián)，電流線串聯(lián)Hz頻率測量頻率表并聯(lián)在被測電路中電壓和電流測量指針式儀表利用電磁效應(yīng)使指針偏轉(zhuǎn)數(shù)字儀表將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示鉗形表利用電磁感應(yīng)無需斷開電路測量電流功率和功率因數(shù)測量單相功率測量使用功率表或電壓、電流、相位法三相功率測量三瓦特表法或二瓦特表法功率因數(shù)測量利用功率因數(shù)表或通過有功功率和視在功率計(jì)算現(xiàn)代測量方法使用電能質(zhì)量分析儀同時(shí)測量多種參數(shù)諧波分析交流電源的安全問題直接觸電人體直接接觸帶電體間接觸電接觸因絕緣故障帶電的外殼電弧危害短路產(chǎn)生高溫電弧接地和漏電保護(hù)保護(hù)接地將設(shè)備外殼可靠連接到地接零保護(hù)將設(shè)備外殼與工作零線連接漏電保護(hù)器檢測零線和火線電流差值等電位連接減少金屬部件間的電位差過電壓和過電流保護(hù)熔斷器利用熱效應(yīng)切斷過電流電路斷路器自動(dòng)檢測并切斷故障電路浪涌保