电气工程基础交通-第二章基本概念

电气工程基础教案交通大学电气工程系2004，06第二章基本概念第二章基本概念本章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，了直流传输与交流传输的基本概念，阐述了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。了单相系统的缺陷与三相系统的优点以及在对称三相系统中的单相分析法。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。1．动能（Kinetic

energy）Ω机械角速度J

转子的转动惯量（kg.m2）E

1

J

222．位能（Potential

energy）T原的转矩T恒定rPEW

T

dWPE

T3．磁场能（Magnetic

fieldenergy）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2

1

Li2mfW1

12

2 1

222

1

L

i2

1

L

i2

Mi

imfW[例2-1]施加交流电压能与相应的功率。解：

线圈中的电流max于电压，并等于至一具有u电感Ls的in线圈t

，求储藏的磁场1mf上式表明功率变化u速率是电压变化速率的u

两倍及平均功率为零。u22dWmf

L

L

L21

u22

Li

max

sin(t

90

)

max

costW

L

max

cos2

t

max

sin

2tp

dt4．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。efW

1

Cu

225．耗散能（Dissipative

energy）

20Wd

R

it

dt二、旋转电机中的能量转换电功率

机械率（损耗）第二节直流传输为使具有电阻的输电系统输送功率P1，必须使始端和末端间具有电压差

，且1

1则功率反向流动rru

-u

u

up

，ui

1 2

1

1u

uu1

u2u2

u1第三节交流传输一、单相系统二、交流传输与功率方向三、对称三相系统四、Δ联结的三相负载五、单相分析法一、单相系统无源线性一端口网络u

um

sin

ti

im

sin(t

)是功率因数当电压领先于电流时，规定为正一、单相系统功率p

ui

umim

sin

t

sin(t

)2m

m

1

u

i

cos

cos(2t

)

UI

cos

UI

cos(2t

)U和I分别为电压和电流有效值:2

2m

mU

1

u I

1

i定义一、单相系统p

UI

cos

UI

cos

2t

cos

sin

2t

sin

UI

cos

1

cos

2t

UI

sin

sin

2t

p

pp

QP

UI

cos

Q

UI

sinp

P

1

cos

2t

Q

sin

2t一、单相系统对于P和Q

，其意义阐述如下：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。无功功率Q定义为PQ的顶值，

PQ

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。co一、单相系统同样复功

率uijjI

IeU

Uei

uIU

UIu

i

UI

S(cos

j

sin)

P

jQ

S

U

IP2UI

cos

2

UI

sin

2

Q2S

UI

一、单相系统一端口网络用等值阻抗Z代表，则有其中

U

ZI

及I

YUZY

1

*S

P

jQ

U

I

ZI

2

Y

*U

2二、交流传输与功率方向二、交流传输与功率方向P

U

I

cos

U

I

P在无有功损耗的情1况下，1送受两端功率相等2

21

211U

sin

sin

LLU

U

IX

P

X二、交流传输与功率方向功率方向 P和Q的方向方法是去求解

先定义一个方向（电流方向），再看P、Q的正负符号E

I*二、交流传输与功率方向[例2-4]二、交流传输与功率方向解：

E1

E2220

j0

(190.5

j110)Z

j5I

22

j5.9

22.78195

A

220(22

j5.9)

103

4.84

j1.298KVAE1

I**E2

I

(190.5

j110)(22

j5.9)

103

4.84

j1.296KVAI

2

X

22.782

5

2.594K

var二、交流传输与功率方向由上述计算可知：1＃机消耗有功功率4.84KW，供出无功功率1.298Kvar；2＃机供出有功功率4.84KW，供出无功功率1.296Kvar，1＃故机为一电，2＃机为一发电机，2＃机产生的有功功率全部输送至1＃机。联系阻抗Z消耗无功功率2.594Kvar，为两机供给无功功率的总和。三、对称三相系统单相传输系统具有功率的脉动特性。发电机端电压（相对于中性点o）可表示为：u00u1200u2400ua

2U

sin

tu

2U

sin(t

120

)buc

2U

sin(t

120

)三、对称三相系统相电压、线电压及相电流矢量图三、对称三相系统线电压

j1200

U

ab

U

a

Ub

U

Ue=

3U

3000电力工作者称电力

装置的额定电压总是指线电压而言。U

bc

Ub

U

c

=

3U

90

U

ca

U

c

U

a

=3U

1500三、对称三相系统cia

2I

sin(t

)ib

2I

sin(t

120

)i

2I

sin(t

240

)bcI

a

I

I

I

120

I

I

240

三、对称三相系统三相系统输送的全部三相功率等于三相单相功率之和，即

3UI

cos

3

p1三、对称三相系统可见，在一对称三相系统中瞬时的三相功率是非脉动的，并等于每相实功率的三倍。瞬时三相功率恒定是三相系统超过单相系统的主要优点。其重要的表现是三相发电机与三相电具有恒定的转矩特性。三、对称三相系统定义三相无功功率定义三相视在功率Q3

3UI

sS3

3UI

3S1四、Δ联结的三相负载接线图Δ电流矢量图四、Δ联结的三相负载设abU

U

则有,0

Z

Z

(

240

)

(

120

)

Z

ZZ

ZUI

caI

bcUZ

ZUU

caU

bcU

abI

ab

I

a

I

ab

I

ca

3

I

ab

300四、Δ联结的三相负载对称三相负载Δ形对称三相负载Y形四、Δ联结的三相负载OAABCAZABZCABCOBABCAZABZBCBCOCABCAZBC

ZCABCZ

Z

Z

ZZ

Z

Z

ZZ

Z

Z

ZOA

OB

AB

CA

BCZ

Z

Z

//Z

Z

ZOB

ZOC

ZBC

//ZAB

ZCA

OCBC

ABZ

ZOA

ZCA

//Z

Z

3YZ