电气工程基础-第2章

电气工程技术基础 第二章 基本概念,第二章 基本概念 本章主要内容,论述组成电力系统的各种能量形式以及电机中机电能量转换的概念讨论直流传输与交流传输的基本概念阐述交流电路中有功功率、无功功率、视在功率及复数功率的概念。讨论单相系统的缺陷、三相系统的优点以及对称三相系统的单相分析法。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,第一节 电力与电能系统,一、电力系统中的能量形式 二、旋转电机中的能量转换,电气工程技术基础 第二章 基本概念,一、电力系统中的能量形式,发电厂将自然界的可用的“生”能转换为电能，并输送和分配这种电形式的能量至各类用户，然后转换为各种有用的能量形式。在电力系统中存在电能的附加形式，即电场能、磁场能及耗散能。发电机组中的原动机属动力系统的范畴，它们服从刚体围绕定轴旋转的规律，因而存在着机械能，即转子动能与位能。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,1动能（Kinetic energy）,式中：为发电机转子机械角速度（ rad/s） J为发电机转子的转动惯量（kg.m2）,电气工程技术基础 第二章 基本概念,2位能（Potential energy）,原动机对发电机转子施加的力矩形成转子位能。 T为原动机的转矩 当T恒定时,弹簧：,重力：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,3磁场能（Magnetic field energy）,磁场能储藏于具有磁场存在的空间内。在电力系统中，发电机的定子及转子绕组、变压器绕组、输电线回路及感应电动机定子及转子绕组都存在磁场，因而都储藏磁场能 。当存在两个线圈时,电气工程技术基础 第二章 基本概念,例2-1施加交流电压至一具有电感L的线圈，求 储藏的磁场能与相应的功率。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,例2-1施加交流电压至一具有电感L的线圈，求 储藏的磁场能与相应的功率。解：线圈中的电流落后于电压，并等于 功率 上式表明功率变化速率是电压变化速率的两倍，并且平均功率为零。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,4电场能（Electric field energy）,储藏于电场中，例如电容器的极板间、传输线间以及传输线对地之间。,5耗散能（Dissipative energy）,电力系统中，电流流经导线时因导线存在电阻生成热能散发出去而消耗掉，即耗散能。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,例2-2具有26.5uF的电容器：（a）带电至直流电位110kV，问多少能量存储于此装置？（b）施加交流电压 ，求储藏于电场中的能量及相应的功率。解:(a) (b),电气工程技术基础 第二章 基本概念,二、旋转电机中的能量转换,电动机：将输入电功率转换成机械功率输出,是主要负载。 发电机：将输入机械功率转换成电功率输出，是电力系统的电源。 同步电机可以作为发电机也可以作为电动机，但从发电机过渡到电动机时，电流方向相反 同步机：磁场对定子速度和转子速度相同 异步机：有滑差s，磁场对定子速度为v,对转子速度为sv，转子转速为（1-s）v。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,第二节 直流传输,输入端功率：,输出端功率：,效率：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,第三节 交流传输,1.单相系统 2.对称三相系统3.联接的三相负载 4.单相分析法,电气工程技术基础 第二章 基本概念,1. 单相系统,无源线性一端口网络电压和电流瞬时值：,+,-,i,u,电气工程技术基础 第二章 基本概念,该端口的瞬时功率为：,U和I分别为电压与电流的有效值，即均方根值：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,定义P为有功功率，Q为无功功率：,代入上式可得：,02之间 -11之间,再定义 为视在功率或伏安功率,电气工程技术基础 第二章 基本概念,对于P和Q ，其意义阐述如下： 1有功功率P规定为p的平均值，其物理意义是被传送的有用功率，它的大小与功率因数 相关。 2无功功率Q定义为pQ的幅值， pQ在线路上往返传送，平均值为零，所以是“无用”功率。但它为建立电场和磁场所必需。 3. P的单位用瓦（W）、千瓦（kW）表示，Q的单位一般用乏（var）、千乏表示。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,用向量形式表示：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,其中：Z为等效阻抗,例题：有一日光灯，其电阻R=300，镇流器的感抗XL=L=520，电源电压U=220V。求（1）该日光灯消耗的有功功率和无功功率；（2）灯管电压的有效值UR和镇流器电压的有效值UL，两者之和是否等于电源电压？,电气工程技术基础 第二章 基本概念,其中：Z为等效阻抗,例题：有一日光灯，其电阻R=300，镇流器的感抗XL=L=520，电源电压U=220V。求（1）该日光灯消耗的有功功率和无功功率；（2）灯管电压的有效值UR和镇流器电压的有效值UL，两者之和是否等于电源电压？ 解：第一步：要计算电流I。知道电压，需要先计算总阻抗Z 灯管电流为,电气工程技术基础 第二章 基本概念,第二步：计算功率因数角（阻抗角） 第三步：根据定义计算有功功率和无功功率第四步：知道电流，可根据欧姆定律计算各自电压。灯管电压：镇流器电压：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,2. 三相系统,单相系统具有功率脉动特性，使得电动机产生脉动转矩。与三相电动机相比，单相电动机体积大、运行性能差、起动困难。 三相系统可以看成由三个单相组联而成，对称三相电源的三相电势的有效值相等，相位差为120o,这里U为相电压的有效值，上式根据,电气工程技术基础 第二章 基本概念,当三相系统中具有对称负载时，则每相电流为：,用矢量表示为：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,三相传输系统的总功率为：,结论：（1）三相传输系统的总功率等于每相功率的三倍 （2）三相传输系统中的瞬时功率是恒定的 （3）三相发电机和三相电动机具有恒定转矩,中性点的电流为三相电流矢量和，根据三相对称系统时的电流矢量和为0，即：再根据三角变换可得到：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,定义：三相无功功率和视在功率如下：,电气工程技术基础 第二章 基本概念,3. 联结的三相负载,对称三角形联接等效为星形联接时的阻抗关系式为：证明： 第一步：先画图，并计算三角形联接时的线电流,（1）,电气工程技术基础 第二章 基本概念,所以,（2）,由于不论是三角形还是星形，线电流应该是相等的。所以比较式（1）和（2），可得：,所以,又因为,第二步：计算星形联接的线电压,电气工程技术基础 第二章 基本概念,对称三相系统的稳态运行情况，实际上只要进行其中某一相（如a相）的计算，而其他两相即b和c相的电流和电压根据相序关系易于求得。对于一个对称三相系统，如果： （1）所有元件是对称三相连接的； （2）所有负载和电源是Y形联接的； （3）相间无电感则： （1）所有元件的中性点电位为零； （2）各相完全可以解耦； （3）各元件的电流、电压矢量相序与电源相同,4. 单相分析法,电气工程技术基础 第二章 基本概念,单相分析法计算步骤： （1）选择电源中性点为电压参考点； （2）将三角形联接的负载转化成为等效的星形联接； （3）将所有元件的中性点联接在一起，计算a相，然有检验b相和c相，其中b和c相分别在相位上滞后a相120o和240o相； （4）还原到原电路中求线间变量。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,例2-5 一对称三相系统如图所示，已知 ，求 ， 。,电气工程技术基础 第二章 基本概念,例2-5 一对称三相系统如图所示，已知 ，求 ， 。解：对补偿电容的联接采用等效Y代替，则有,电气工程技术基础 第二章 基本概念,运用单相分析法后，合并并联支路如图所示，等效并联阻抗为：,作业：1.有一个L=0.5H的电感，其内阻r=0.5，电源为单相市电，求该电感消耗的有功功率和无功功率是多少？2.有一个采用380V/50Hz供电的三相异步电动机，每相绕组的电感为1H，电阻0.02 ，采用三角形连接，假设其三