电路分析基础第九章(李瀚荪)PPT课件

.,1,第九章正弦稳态功率和能量三相电路,引言：,1.单列一章：重要性,2.主要内容,2）能量消耗平均消耗平均功率,3）能量交换平均贮能无功功率,4）能量输出能力视在功率，复功率,5）最大功率传输定理,6）三相电路,1）R、L、C元件和二端网络功率与能量计算,.,2,9-1基本概念,1、瞬时功率:能量对时间的导数,同一时刻u与i乘积,意义：p0吸收功率，表示能量流入元件或网络,p0产生功率，表示能量流出元件或网络,2、能量:在时间t0t1，给予二端元件或网络的能量,一、基本定义,.,3,意义：从t=-t1，给予二端元件或网络的能量,二、基本元件功率、能量关系,结论：R只消耗能量，不储存能量；L、C不消耗能量，只储存能量。,.,4,9-2电阻元件的平均功率,1）瞬时功率：随时间变化，角频率2的正弦波动。,一、平均功率定义：瞬时功率在一个周期内平均值,结论：,大写,小写,.,5,通常所说的功率，是平均功率，又称有功功率。,3）瞬时能量：,4）平均能量：,2）平均功率：,.,6,电阻特点：瞬时功率p(t)在任何时刻均大于或等于零，电阻元件始终吸收功率和消耗能量。,.,7,93电感、电容的平均储能,1）瞬时功率：随时间变化，角频率2的波动。,一、定义：,结论：,2）平均功率：能量流入多少，流出也多少,.,8,4）平均储能：,3）瞬时能量：,.,9,电感的功率与储能：,.,10,电容的功率与储能：,.,11,1、P=0，不消耗能量。在一段时间吸收功率获得能量；另外一段时间释放出它所获得的全部能量。,动态元件特点：,2、WC0，WL0，能量在一段时间以电场或磁场的形式储存起来；另一段时间释放出能量。但储能总为正，是储能元件。,.,12,定义：电源与动态元件之间能量交换往返速率的最大值即：瞬时功率的振幅。,二、无功功率：,则：,无功功率意义：反映电源参与储能交换的程度。,.,13,无功功率计算式：,注：“+”表示电感无功功率；“-”表示电容无功功率；,代入平均储能公式：,无功功率另一种计算式：,.,14,例：,图示电路处于正弦稳态中，已知,求：图中R的P，L、C元件的Q、Wav,解：思路,作相量模型,.,15,.,16,小结：正弦稳态下R、L、C的功率和能量,.,17,9-4单口网络的平均功率功率因数,瞬时功率：,.,18,.,19,1.平均功率：,其中：U、I端电压、端电流的有效值,.,20,注意：,2）若单口网络含受控源，可能,3）若单口网络含独立源，P可能为正，可能为负。,1）若单口网络由无源元件组成，P0,.,21,2.视在功率：,意义：反映电气设备的容量。设备可能提供的最大功率（额定电压额定电流）。,3.功率因数：,意义：反映平均功率减少的折扣。,对无源二端网络,单位：伏安（VA）,.,22,4.用Z或Y计算P：,平均功率：,5.功率守恒：,也等于网络中各元件吸收的平均功率总和,.,23,Q1电容电感无功功率定义？和有效值关系？,Q电容电感无功功率和平均储能关系？,Q单口网络视在功率？单位？,Q功率因数是指？,.,24,例：求二端网络平均功率P。,解法一：,解法二：,.,25,解法三：,解法四：,+,_,C,R,L,.,26,9-5单口网络无功功率功率因数的提高,一、无功功率：,定义：网络与外电路能量交换的最大值。,.,27,或,各功率关系：,.,28,结论：二端口网络的功率,1.平均功率,2.无功功率,3.视在功率,4.功率因数,.,29,5.平均功率（无源二端网络）,也等于网络中各电阻消耗的平均功率总和,6.无功功率（无源二端网络）,等于网络中各动态元件吸收的无功功率总和,.,30,解:,并联电容使线路电流I，,.,31,3、提高功率因数的意义,1）提高了发电设备的利用率,.,32,例：某200kVA的负载接于2300V（有效值）交流供电系统使用，功率因数为0.9(滞后)求负载消耗的功率、电流及相位差。,解：分析S=200KVA，U=2300V,.,33,.,34,9.8三相电路,本节要求：1.搞清对称三相负载Y和联结时相线电压、相线电流关系;2.掌握三相四线制供电系统中单相及三相负载的正确联接方法，理解中线的作用;3.掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。,.,35,三相电路的优点：,1.在发电方面：在发电机体积相同的情况下，三相发电机发出的功率比单相发电机发出的功率高50%。,2.在输电方面：三相系统输电用三根（或四根线）,而单相系统要六根，三相输电可节省有色金属25%。,3.在配电方面：相同容量的三相变压器的体积比单相变压器的体积小得多。,4.在用电方面：三相电动机比单相电动机运行平稳。,.,36,.,37,三相交流发电机示意图,1.三相电压的产生,工作原理：动磁生电,图5.1.2三相绕组示意图,图5.1.3每相电枢绕组,一、三相电源,.,38,三相电压瞬时表示式,相量表示,:直流励磁的电磁铁,.,39,相量图,波形图,相量表示,三相电压瞬时表示式,.,40,对称三相电动势的瞬时值之和为0,三相交流电到达正最大值的顺序称为相序。,三个正弦交流电动势满足以下特征,供电系统三相交流电的相序为L1L2L3,.,41,2.三相电源的星形联结,(1)联接方式,中性线(零线、地线),中性点,端线(相线、火线),在低压系统,中性点通常接地，所以也称地线。,相电压：端线与中性线间（发电机每相绕组）的电压,线电压：端线与端线间的电压,Up,Ul,.,42,(2)线电压与相电压的关系,根据KVL定律,由相量图可得,相量图,30,.,43,同理,3.三相电源的三角形联结,线电压相电压关系？,.,44,二、负载星形联结的三相电路,三相负载,不对称三相负载：不满足Z1=Z2=Z3如由单相负载组成的三相负载,1.三相负载,分类,三相负载的联接三相负载也有Y和两种接法，至于采用哪种方法，要根据负载的额定电压和电源电压确定。,.,45,三相负载连接原则(1)电源提供的电压=负载的额定电压；(2)单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。,.,46,2.负载星形联结的三相电路,线电流：流过端线的电流,相电流：流过每相负载的电流,结论：负载Y联结时，线电流等于相电流。,(1)联结形式,N电源中性点,N负载中性点,.,47,(2)负载Y联结三相电路的计算,1)负载端的线电压电源线电压2)负载的相电压电源相电压,3)线电流相电流,Y联结时：,4)中线电流,负载Y联结带中性线时,可将各相分别看作单相电路计算,.,48,负载对称时,中性线无电流,可省掉中性线。,(3)对称负载Y联结三相电路的计算,所以负载对称时，三相电流也对称。,负载对称时，只需计算一相电流，其它两相电流可根据对称性直接写出。,.,49,例1：,.,50,中性线电流,.,51,(2)三相负载不对称（R1=5、R2=10、R3=20）分别计算各线电流,中性线电流,.,52,例：照明系统故障分析,解:(1)A相短路,1)中性线未断,此时L1相短路电流很大,将L1相熔断丝熔断,而L2相和L3相未受影响，其相电压仍为220V,正常工作。,在上例中，试分析下列情况(1)L1相短路:中性线未断时，求各相负载电压；中性线断开时，求各相负载电压。(2)L1相断路:中性线未断时，求各相负载电压；中性线断开时，求各相负载电压。,.,53,此情况下，L2相和L3相的电灯组由于承受电压上所加的电压都超过额定电压(220V)，这是不允许的。,2)L1相短路,中性线断开时,此时负载中性点N即为L1,因此负载各相电压为,.,54,(2)L1相断路,2)中性线断开,L2、L3相灯仍承受220V电压,正常工作。,1)中性线未断,变为单相电路，如图(b)所示,由图可求得,.,55,结论,（1）不对称负载Y联结又未接中性线时，负载相电压不再对称，且负载电阻越大，负载承受的电压越高。（2）中线的作用：保证星形联结三相不对称负载的相电压对称。（3）照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线（指干线）内不允许接熔断器或刀闸开关。,.,56,1.联结形式,三、负载三角形联结的三相电路,线电流:流过端线的电流,相电流:流过每相负载的电流、,.,57,线电流不等于相电流,(2)相电流,(1)负载相电压=电源线电压,即:UP=Ul,一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称,即,2.分析计算,相电流：,线电流：,U12=U23=U31=Ul=UP,.,58,相量图,负载对称时,相电流对称，即,(3)线电流,由相量图可求得,为此线电流也对称，即。,线电流比相应的相电流滞后30。,.,59,三相负载的联接原则,负载的额定电压=电源的线电压,负载的额定电压=电源线电压,应使加于每相负载上的电压等于其额定电压，而与电源的联接方式无关。,三相电动机绕组可以联结成星形，也可以联结成三角形，而照明负载一般都联结成星形(具有中性线)。,.,60,四、三相功率,无论负载为Y或联结，每相有功功率都应为Pp=UpIpcosp,对称负载联结时：,同理,对称负载Y联结时：,相电压与相电流的相位差,当负载对称时：P=3UpIpcosp,所以,.,61,有一三相电动机,每相的等效电阻R=29,等效感抗XL=21.8,试求下列两种情况下电动机的相电流、线电流以及从电源输入的功率，并比较所得的结果：(1)绕组联成星形接于Ul=380V的三相电源上;(2)绕组联成三角形接于Ul=220V的三相电源上。,例1:,解:,(1),.,62,(2),比较(1),(2)的结果:,有的电动机有两种额定电压,如220/380V。当电源电压为380V时,电动机的绕组应联结成星形；当电源电压为220V时,电动机的绕组应联结成三角形。,在三角形和星形两种联结法中,相电压、相电流以及功率都未改变，仅三角形联结情况下的线电流比星形联结情况下的线电流增大倍。,.,63,例2:,各电阻负载的相电流,由于三相负载对称，所以只需计算一相，其它两相可依据对称性写出。,.,64,负载星形联接时，其线(相)电流为,负载三角形联解时，其相电流为,(2)电路线电流,一相电压与电流的相量图如图所示,.,65,一相电压与电流的相量图如图所示,(3)三相电路的有功功率,.,66,三相对称负载作三角形联结，Ul=220V，当S1、S2均闭合时，各电流表读数均为17.3A，三相功率P=4.5kW，试求:1)每相负载的电阻和感抗；2)S1合、S2断开时,各电流表读数和有功功率P；3)S1断、S2闭合时,各电流表读数和有功功率P。,例3：,.,67,或：P=I2RP=UIcostg=XL/R,解：,(1)由已知条件可求得,.,68,(2)S1闭合、S2断开时,I1=I3=10AI2=17.32A,流过电流表L1、L3的电流变为相电流IP，流过电流表L2的电流仍为线电流Il。,因为开关S均闭合时每相有功功率P=1.5kW,当S1合、S2断时，Z12、Z23的相电压和相电流不变，则P12、P23不变。,P=P12+P23=3kW,.,69,I2=0A,(3)S1断开、S2闭合时,变为单相电路,I1仍为相电流IP，I2变为1/2IP。,I1=I3=10A+5A=15A,I2变为1/2IP，所以L1L2、L2L3相的功率变为原来的1/4。,P=1/4P12+1/4P23+P31=0.375W+0.375W+1.5W=2.25kW,.,70,某大楼为日光灯和白炽灯混合照明，需装40瓦日光灯210盏(cos1=0.5)，60瓦白炽灯90盏(cos2=1),它们的额定电压都是220V，由380V/220V的电网供电。试分配其负载并指出应如何接入电网。这种情况下,线路电流为多少？,例4：,解:(1)该照明系统与电网连接图,.,71,解:(1)该照明系统与电网连接图,.,72,例5：,某大楼电灯发生故障，第二层楼和第三层楼所有电灯都突然暗下来，而第一层楼电灯亮度不变，试问这是什么原因？这楼的电灯是如何联接的？同时发现，第三层楼的电灯比第二层楼的电灯还暗些，这又是什么原因？,解:(1)本系统供电线路图,.,73,(2)当P处断开时，二、三层楼的灯串联接380V电压，所以亮度变暗，但一层楼的灯仍承受220V电压亮度不变。,(3)因为三楼灯多于二楼灯即R3R2,所以三楼灯比二楼灯暗。,解：(1)本系统供电线路图,.,74,.,75,.,76,12-9三相电路,一、三相电路的优点：,1.在发电方面：在发电机体积相同的情况下，三相发电机发出的功率比单相发电机发出的功率高50%。,2.在输电方面：三相系统输电用三根（或四根线）,而单相系统要六根，三相输电可节省有色金属25%。,3.在配电方面：相同容量的三相变压器的体积比单相变压器的体积小得多。,4.在用电方面：三相电动机比单相电动机运行平稳。,.,77,二、三相电源,.,78,3.性质：,2.相序：对称三相电压达到正负最大值的先后次序。,abc为正序（顺时针）acb为逆序（逆时针）,这三个电压振幅相同、角频率相同、彼此相位差120，因此称为对称三相电源。,.,79,4.连接方式,a,b,c始端引出线,称相线或火线,n三个末端公共点叫中线,ua,ub,uc相线与中线电压称相电压UP,uab,ubc,uca相线之间电压称线电压Ul,1）Y形连接,.,80,.,81,a,b,c相线或火线,无中线,2）形连接,三个电源串联会不会造成短路？,.,82,三、对称三相电路的分析,1.YY连接的三相电路,1）三相四线制,分析思路：画电路图、标参考方向、相量计算,负载连接有两种：星形连接(Y)、三角形连接(),三相电力系统组成：三相电源、三相负载、三相输电线,中线电阻,.,83,已知：,求：,解：n为地,Zn,.,84,可以取消中线称三相三线制,负载上每相中的电流称相电流Ip,Ia,Ib,Ic火线上的电流称线电流Il,用分离一相、推知其他两相法进行分析,.,85,分离一相，推知其他两相法：,.,86,与三相四线制相同,2）三相三线制,说明：中性线作用在于使不对称负载的相电压对称。,不对称负载的相电压不对称，引起有的相电压过高，有的相电压过低，这是不允许的。中性线阻抗很小，可以忽略不计，保证。为了不让中性线断开，中性线内不接入熔断器或闸刀开关，如保险丝不允许装在中线，而装在火线。,.,87,3）-Y连接：,解：,.,88,2.Y连接的三相电路,三相电源可能是Y或形，只需知道线电压，就能求负载电压和电流。,IabIbcIca负载上相电流Ip,Ia,Ib,Ic负载上线电流Il,.,89,+,_,Z,a,b,分离一相，推知其他两相法：,.,90,形负载线电流Il与相电流Ip关系：,.,91