《交流系統(tǒng)原理》課件

交流系統(tǒng)原理電氣工程基礎(chǔ)課程，探索交流電系統(tǒng)的原理、特性與應(yīng)用課程概述課程目標(biāo)掌握交流系統(tǒng)基本原理學(xué)習(xí)內(nèi)容交流基礎(chǔ)、三相系統(tǒng)、電機(jī)變壓器考核方式平時(shí)作業(yè)30%，期中測(cè)驗(yàn)20%，期末考試50%第一章：交流電基礎(chǔ)交流電的定義周期性變化方向的電流交流電的特點(diǎn)大小和方向隨時(shí)間周期變化交流電的優(yōu)勢(shì)易于變壓、傳輸損耗小交流電的產(chǎn)生電磁感應(yīng)原理磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)電機(jī)原理導(dǎo)體在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)切割磁力線正弦波形的形成導(dǎo)體勻速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生正弦電動(dòng)勢(shì)交流電的基本參數(shù)頻率每秒完成周期的次數(shù)，單位赫茲周期完成一次完整變化所需時(shí)間幅值最大值與零值的距離相位正弦量的初始角度正弦交流電的數(shù)學(xué)表示時(shí)域表示i=Im·sin(ωt+φ)表示瞬時(shí)值隨時(shí)間變化相量表示I=Im∠φ用幅值和相位角表示復(fù)數(shù)表示I=I∠θ=a+jb實(shí)部和虛部共同表示交流電的平均值和有效值平均值的計(jì)算Iav=2Im/π≈0.637Im1有效值的定義I=Im/√2≈0.707Im2有效值的意義產(chǎn)生等效熱效應(yīng)的直流電流值3峰值系數(shù)k=Im/I=√2≈1.4144第二章：交流電路元件電阻消耗電能轉(zhuǎn)化為熱能電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，阻礙電流變化電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，阻礙電壓變化純電阻交流電路0°相位差電壓電流同相位R阻抗值Z=R1功率因數(shù)cosφ=1純電感交流電路90°相位差電流滯后電壓ωL感抗XL=ωL=2πfL0功率因數(shù)cosφ=0純電容交流電路-90°相位差電流超前電壓1/ωC容抗XC=1/ωC=1/2πfC0功率因數(shù)cosφ=0RLC串聯(lián)電路1阻抗Z=√(R2+X2)2電抗X=XL-XC3相位差φ=arctan(X/R)RLC并聯(lián)電路1導(dǎo)納Y=√(G2+B2)2電納B=BC-BL3相位差φ=arctan(B/G)交流電路的功率有功功率P轉(zhuǎn)化為其他形式的功率，P=UI·cosφ無功功率Q交換儲(chǔ)存的能量，Q=UI·sinφ視在功率S總功率，S=UI=√(P2+Q2)功率因數(shù)cosφ有功功率與視在功率比值，cosφ=P/S功率因數(shù)改善功率因數(shù)的意義反映電能利用效率低功率因數(shù)危害增加線損，降低設(shè)備利用率提高方法并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率經(jīng)濟(jì)效益降低電費(fèi)，減少線路投資第三章：三相交流系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用廣泛幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備電能傳輸效率高功率傳輸更平穩(wěn)電機(jī)運(yùn)行優(yōu)良自啟動(dòng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均勻三相交流電的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割三個(gè)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位差為120°的三相電動(dòng)勢(shì)輸出三相電壓通過接線端子引出三相連接方式星形連接(Y)三相繞組一端連接成公共點(diǎn)線電壓=√3×相電壓線電流=相電流三角形連接(Δ)三相繞組首尾相連成閉環(huán)線電壓=相電壓線電流=√3×相電流對(duì)稱三相電路不對(duì)稱三相電路三相功率測(cè)量1單相負(fù)載測(cè)量一個(gè)瓦特表直接測(cè)量2兩瓦特表法適用于三線三相系統(tǒng)3三瓦特表法適用于四線三相系統(tǒng)4功率因數(shù)測(cè)定兩表讀數(shù)比值確定角度旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相定子電流三相交流電流通過定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成空間磁場(chǎng)合成產(chǎn)生勻速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流與轉(zhuǎn)矩第四章：交流變壓器基本結(jié)構(gòu)鐵心原邊繞組副邊繞組工作原理電磁感應(yīng)磁通耦合能量傳遞主要特點(diǎn)電壓變換電氣隔離阻抗匹配理想變壓器100%效率無損耗能量傳遞N?/N?電壓變比U?/U?=N?/N?N?/N?電流變比I?/I?=N?/N?(N?/N?)2阻抗變換Z?/Z?=(N?/N?)2實(shí)際變壓器1漏磁通未能鏈接副邊繞組的磁通鐵心損耗磁滯損耗和渦流損耗銅損耗繞組電阻引起的熱量損失額外損耗雜散損耗和機(jī)械損耗變壓器等效電路T型等效電路保留激磁支路，便于分析磁化特性Π型等效電路適合并聯(lián)參數(shù)分析簡(jiǎn)化等效電路忽略小參數(shù)，便于工程計(jì)算變壓器參數(shù)測(cè)定開路試驗(yàn)測(cè)定鐵損和激磁參數(shù)短路試驗(yàn)測(cè)定銅損和阻抗電壓參數(shù)計(jì)算等效電路參數(shù)推導(dǎo)性能評(píng)估效率和電壓調(diào)整率分析三相變壓器結(jié)構(gòu)形式三個(gè)單相變壓器組合三相鐵心變壓器接線方式Y(jié)-Y接線Y-Δ接線Δ-Y接線Δ-Δ接線相序檢查鐘表法表示相序測(cè)量?jī)x變壓器的并聯(lián)運(yùn)行并聯(lián)條件相同變比相同阻抗電壓百分?jǐn)?shù)相同接線組別負(fù)載分配按容量比例分配與阻抗成反比并聯(lián)優(yōu)勢(shì)提高供電可靠性靈活應(yīng)對(duì)負(fù)載變化便于維護(hù)檢修第五章：交流電機(jī)異步電機(jī)工業(yè)應(yīng)用最廣泛，依靠感應(yīng)原理工作同步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，可控功率因數(shù)單相電機(jī)小功率設(shè)備，家用電器常用三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)硅鋼片疊成，內(nèi)嵌三相繞組鼠籠式轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)構(gòu)成閉合回路繞線式轉(zhuǎn)子帶有三相繞組，可通過滑環(huán)接外電阻三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流磁場(chǎng)切割導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流電磁轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率運(yùn)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必小于同步速度三相異步電動(dòng)機(jī)等效電路R?定子電阻表示定子銅損X?定子漏抗表示定子漏磁通R?/s轉(zhuǎn)子電阻包含轉(zhuǎn)差率因素X?轉(zhuǎn)子漏抗表示轉(zhuǎn)子漏磁通三相異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)矩(N·m)效率(%)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速極對(duì)數(shù)變換調(diào)速改變定子繞組連接方式轉(zhuǎn)子變阻調(diào)速適用于繞線式電機(jī)變頻調(diào)速改變電源頻率最為靈活電壓調(diào)速適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨速度變化單相異步電動(dòng)機(jī)分相式電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組空間相差90°啟動(dòng)力矩小，噪音大電容式電動(dòng)機(jī)采用電容使電流相位差接近90°啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行平穩(wěn)應(yīng)用領(lǐng)域風(fēng)扇、水泵、空調(diào)、冰箱等家用電器功率一般不超過2kW同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電廠主要設(shè)備同步電動(dòng)機(jī)恒速驅(qū)動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)同步補(bǔ)償器無功功率補(bǔ)償，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓第六章：交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性定義系統(tǒng)受擾動(dòng)后回到平衡狀態(tài)的能力靜態(tài)穩(wěn)定性小擾動(dòng)下的平衡能力3暫態(tài)穩(wěn)定性大擾動(dòng)下的穩(wěn)定能力頻率穩(wěn)定性維持頻率在允許范圍的能力靜態(tài)穩(wěn)定性功角δ(°)功率P(MW)暫態(tài)穩(wěn)定性1大擾動(dòng)分析故障瞬間功角變化顯著等面積法判據(jù)加速面積小于減速面積時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定提高措施快速切除故障，增加系統(tǒng)慣性電壓穩(wěn)定性負(fù)載功率P(MW)電壓V(kV)第七章：交流系統(tǒng)的保護(hù)安全可靠保護(hù)人身和設(shè)備安全2快速切除迅速隔離故障區(qū)域選擇性動(dòng)作只切除故障部分靈敏準(zhǔn)確能檢測(cè)各類故障繼電保護(hù)的基本原理電流保護(hù)檢測(cè)過電流和短路故障電壓保護(hù)監(jiān)測(cè)過電壓和欠電壓方向保護(hù)判斷功率流向距離保護(hù)根據(jù)阻抗值確定故障距離變壓器保護(hù)差動(dòng)保護(hù)原理：比較進(jìn)出電流差值特點(diǎn)：靈敏度高，選擇性好應(yīng)用：主要保護(hù)方式過電流保護(hù)原理：監(jiān)測(cè)流過的電流大小特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高應(yīng)用：后備保護(hù)氣體保護(hù)原理：檢測(cè)內(nèi)部故障產(chǎn)生的氣體特點(diǎn)：可檢測(cè)內(nèi)部故障應(yīng)用：油浸式變壓器輸電線路保護(hù)縱聯(lián)保護(hù)線路兩端信息比較距離保護(hù)測(cè)量故障點(diǎn)阻抗過電流保護(hù)檢測(cè)短路和過載自動(dòng)重合閘暫時(shí)性故障自動(dòng)恢復(fù)發(fā)電機(jī)保護(hù)定子繞組保護(hù)差動(dòng)保護(hù)、接地保護(hù)轉(zhuǎn)子繞組保護(hù)接地保護(hù)、過流保護(hù)機(jī)械保護(hù)軸承溫度、振動(dòng)保護(hù)勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)失磁保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)第八章：交流系統(tǒng)的控制一次設(shè)備控制直接作用于電力設(shè)備二次控制系統(tǒng)測(cè)量、保護(hù)和控制回路調(diào)度自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)監(jiān)控整體運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的調(diào)速控制速度檢測(cè)測(cè)量轉(zhuǎn)速與設(shè)定值偏差1調(diào)節(jié)器動(dòng)作控制閥門開度調(diào)整輸入功率機(jī)組響應(yīng)輸出功率變化影響系統(tǒng)頻率AGC監(jiān)控自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)多機(jī)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制電壓檢測(cè)測(cè)量端電壓與設(shè)定值對(duì)比AVR控制自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整勵(lì)磁電流PSS作用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制功率振蕩限制保護(hù)限制器防止過勵(lì)磁和欠勵(lì)磁無功功率和電壓控制1同步發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁提供無功電容器組投切電容器補(bǔ)償無功調(diào)壓變壓器改變分接頭調(diào)節(jié)電壓4FACTS裝置靈活交流輸電系統(tǒng)快速響應(yīng)負(fù)荷頻率控制時(shí)間(s)頻率(Hz)第九章：交流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最小成本滿足負(fù)荷需求下最低運(yùn)行成本等增率原則所有機(jī)組邊際成本相等優(yōu)化算法拉格朗日乘子法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃約束條件機(jī)組容量、網(wǎng)絡(luò)安全限制火電機(jī)組的特性出力(MW)熱耗率(kJ/kWh)水火電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行水電特點(diǎn)啟停迅速調(diào)節(jié)性能好運(yùn)行成本低受水資源限制火電特點(diǎn)供應(yīng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)范圍小啟停過程慢燃料成本高優(yōu)化策略水電承擔(dān)調(diào)峰火電維持基荷水資源優(yōu)化配置水火電互補(bǔ)運(yùn)行配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行無功優(yōu)化配置就地平衡無功提高功率因數(shù)降低線路損耗線損降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化導(dǎo)線截面選擇變壓器合理運(yùn)行負(fù)荷管理負(fù)荷轉(zhuǎn)移需求側(cè)響應(yīng)分時(shí)電價(jià)激勵(lì)第十章：交流系統(tǒng)的規(guī)劃負(fù)荷預(yù)測(cè)分析用電需求增長(zhǎng)趨勢(shì)2電源規(guī)劃確定電源結(jié)構(gòu)和裝機(jī)容量3電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和線路布局投資決