《交流电源》课件

交流电源概述交流电源是现代电力系统的基础，通过电流周期性变化提供能量传输。课程目标掌握交流电基本原理理解正弦交流电特性与数学表示熟悉交流电路分析方法能够计算复杂交流电路的电压、电流和功率认识交流电源设备了解发电机、变压器和电动机工作原理理解电源质量与安全交流电基本概念定义方向和大小随时间周期性变化的电流特点可以通过变压器改变电压，便于长距离输电应用家用电器、工业设备和电力系统正弦交流电的特征波形遵循正弦函数变化规律幅值波形达到的最大值周期完成一次完整振荡所需时间相位波形在时间轴上的相对位置频率和周期频率定义单位时间内完成的周期性变化次数单位：赫兹(Hz)标准工频：50Hz(中国)/60Hz(美国)周期定义完成一次完整振荡所需时间单位：秒(s)周期T=1/频率f相位和相位差相位定义交流量在一个周期内的瞬时位置1相位差两个同频率交流量之间的相位角度差异2超前与滞后相位差为正表示超前，为负表示滞后3应用三相系统中的相位差为120°4有效值和平均值1平均值一个周期内瞬时值的代数平均正弦交流电的平均值为零2有效值产生相同热效应的直流电值正弦波有效值=最大值/√23实际应用仪表显示的通常是有效值家用电为220V指的是有效值交流电的数学表示时域表示i=Imsin(ωt+φ)相量表示I=Im∠φ复数表示I=a+jb相量表示法1简化计算将时域微分方程转换为代数方程2几何表示用旋转向量表示正弦量3复数形式结合实部和虚部交流电路元件：电阻欧姆定律适用U=IR电压电流同相φ=0°能量转换电能转化为热能阻抗特性Z=R交流电路元件：电感电感定义储存磁场能量的元件电压电流关系U=L·di/dt相位特性电流滞后电压90°感抗计算XL=ωL=2πfL交流电路元件：电容定义储存电场能量的元件电压电流关系I=C·du/dt相位特性电流超前电压90°容抗计算XC=1/(ωC)=1/(2πfC)RLC串联电路电阻消耗有功功率电感储存磁场能量电容储存电场能量总阻抗Z=√(R²+(XL-XC)²)RLC并联电路Y导纳Y=1/Z，表示电路对电流的通过能力G电导G=1/R，电阻的倒数B电纳B=BC-BL，容纳与感纳之差交流电路的功率有功功率实际消耗的能量，单位为瓦特(W)无功功率仅在电路中往复振荡，单位为乏(var)视在功率有功与无功的合成，单位为伏安(VA)有功功率、无功功率和视在功率有功功率P感性无功功率QL容性无功功率QC功率因数功率因数校正低功率因数问题导致线路损耗增加和供电能力下降并联电容补偿向感性负载提供容性无功功率同步补偿器通过调整励磁电流改变功率因数效益分析降低电费支出，提高设备利用率谐振电路谐振条件XL=XCωL=1/ωC谐振频率：f₀=1/(2π√LC)谐振特点阻抗达到极值电路电压或电流达到最大电路呈纯电阻性串联谐振最小阻抗Z=R最大电流I=U/R品质因数Q=ω₀L/R=1/(ω₀CR)通频带Δf=f₀/Q并联谐振三相交流电源系统定义由三个频率相同、振幅相等、相位差120°的正弦电压组成特点功率传输稳定，效率高，可生成旋转磁场应用领域工业用电、电力传输系统、大型电机驱动三相电源的优势功率输出稳定瞬时功率恒定2铜材利用率高同功率下导线截面积减少25%产生旋转磁场可实现简单高效的电机驱动星形连接1234结构特点三个绕组一端连接形成中性点电压关系线电压等于相电压的√3倍电流关系线电流等于相电流应用场景需要中性线的低压配电系统三角形连接结构特点三个绕组首尾相连形成闭环电压关系线电压等于相电压电流关系线电流等于相电流的√3倍应用场景大功率工业电动机驱动系统三相平衡负载定义三相负载阻抗相等且性质相同功率特性瞬时功率恒定，无脉动中性线电流星形连接中性线电流为零4典型应用三相电动机、三相电炉三相不平衡负载IN中性线电流不为零，需考虑中性线载流能力P功率波动瞬时功率存在波动η效率降低线路损耗增加，设备利用率下降三相功率计算交流发电机原理电磁感应导体切割磁力线产生感应电动势旋转运动转子旋转使磁场相对定子绕组切割频率关系f=np/60，n为转速，p为极对数电压调节通过调整励磁电流控制输出电压同步发电机结构特点转子带有直流励磁绕组定子带有三相交流绕组转速与电网频率同步工作原理转子励磁产生旋转磁场磁场切割定子绕组产生感应电动势转速n=60f/p异步发电机变压器原理工作原理基于电磁感应定律构成部件铁芯、初级绕组和次级绕组变压比关系电压比等于匝数比功率传递理想变压器输入功率等于输出功率变压器类型电力变压器用于电力系统的升压和降压仪表变压器为测量仪表提供标准电压或电流电子变压器用于电子设备中的低压电源变压器损耗铁损铜损杂散损耗介质损耗自耦变压器结构特点原、副边共用一部分绕组优点体积小，铜耗低，效率高缺点原、副边无电气隔离应用场景电动机启动、电压调整交流电动机原理旋转磁场三相电流产生旋转磁场电磁力矩转子导体受力产生转矩转速调节通过改变频率或极对数功率传递电磁功率转化为机械功率同步电动机工作特点转速恒定，与电源频率同步转速计算n=60f/p，f为频率，p为极对数功率因数可通过调节励磁电流调整应用场合大功率恒速驱动，如压缩机、水泵异步电动机1工作原理基于电磁感应和旋转磁场转差率s=(n₁-n₂)/n₁3转矩特性存在起动转矩和最大转矩单相电动机电容启动型启动时使用辅助绕组和电容分相启动型利用主、辅绕组电流相位差鼠笼式转子由铝条和端环组成的笼形结构交流输电系统电压等级超高压：500kV及以上高压：110kV~330kV中压：10kV~35kV系统构成发电厂变电站输电线路配电网络输电方式架空输电电缆输电柔性交流输电高压输电的优势1传输容量大同等线径下可传输更大功率2线损降低同等功率下电流减小，I²R损耗降低3输电距离远可实现远距离大容量能源输送4经济性好降低线路材料成本和运行费用输电线路损耗热损耗由电流流过电阻产生电晕损耗高压线周围空气电离产生漏电损耗经绝缘子表面泄漏电流造成电力系统稳定性静态稳定性系统抵抗小扰动的能力动态稳定性系统抵抗大扰动的能力电压稳定性维持所有节点电压的能力频率稳定性平衡有功功率的能力交流电源质量问题谐波污染非线性负载产生的高频分量电压闪变电压幅值的快速波动电压骤降短时间内电压幅值降低三相不平衡三相电压或电流幅值、相位不等谐波污染电压波动和闪变定义电压幅值的连续或随机变化闪变是电压波动导致的视觉效果产生原因大型负载的启停电弧炉等波动性负载风力发电机组功率波动电压骤降和中断电压骤降电压有效值降至额定值的10%-90%2短时中断电压降至额定值的10%以下主要原因短路故障、大型设备启动不良影响设备误动作、生产中断电源质量改善措施无功补偿技术静态无功补偿器(SVC)利用晶闸管控制的电感或电容实现快速无功调节静止同步补偿器(STATCOM)使用电压源逆变器提供连续可调的无功功率被动无功补偿固定或可投切的电容器组、滤波补偿装置有源滤波器工作原理检测负载电流中的谐波成分补偿方式产生与谐波相等幅值、相反相位的电流核心部件功率电子器件和数字控制系统应用场景变频器、UPS、整流器等谐波源丰富的场合不间断电源（UPS）在线式UPS双重转换，完全隔离市电1后备式UPS市电中断时才切换到逆变供电2线路交互式UPS具有电压调节功能的后备式UPS3应用领域数据中心、医疗设备、工业控制系统4交流电源的测量V电压测量电压表并联在被测电路两端A电流测量电流表串联在被测电路中W功率测量功率表电压线并联，电流线串联Hz频率测量频率表并联在被测电路中电压和电流测量指针式仪表利用电磁效应使指针偏转数字仪表将模拟信号转换为数字显示钳形表利用电磁感应无需断开电路测量电流功率和功率因数测量单相功率测量使用功率表或电压、电流、相位法三相功率测量三瓦特表法或二瓦特表法功率因数测量利用功率因数表或通过有功功率和视在功率计算现代测量方法使用电能质量分析仪同时测量多种参数谐波分析交流电源的安全问题直接触电人体直接接触带电体间接触电接触因绝缘故障带电的外壳电弧危害短路产生高温电弧接地和漏电保护保护接地将设备外壳可靠连接到地接零保护将设备外壳与工作零线连接漏电保护器检测零线和火线电流差值等电位连接减少金属部件间的电位差过电压和过电流保护熔断器利用热效应切断过电流电路断路器自动检测并切断故障电路浪涌保