《交流系统原理》课件

交流系统原理电气工程基础课程，探索交流电系统的原理、特性与应用课程概述课程目标掌握交流系统基本原理学习内容交流基础、三相系统、电机变压器考核方式平时作业30%，期中测验20%，期末考试50%第一章：交流电基础交流电的定义周期性变化方向的电流交流电的特点大小和方向随时间周期变化交流电的优势易于变压、传输损耗小交流电的产生电磁感应原理磁通变化产生感应电动势发电机原理导体在磁场中旋转切割磁力线正弦波形的形成导体匀速旋转产生正弦电动势交流电的基本参数频率每秒完成周期的次数，单位赫兹周期完成一次完整变化所需时间幅值最大值与零值的距离相位正弦量的初始角度正弦交流电的数学表示时域表示i=Im·sin(ωt+φ)表示瞬时值随时间变化相量表示I=Im∠φ用幅值和相位角表示复数表示I=I∠θ=a+jb实部和虚部共同表示交流电的平均值和有效值平均值的计算Iav=2Im/π≈0.637Im1有效值的定义I=Im/√2≈0.707Im2有效值的意义产生等效热效应的直流电流值3峰值系数k=Im/I=√2≈1.4144第二章：交流电路元件电阻消耗电能转化为热能电感储存磁场能量，阻碍电流变化电容储存电场能量，阻碍电压变化纯电阻交流电路0°相位差电压电流同相位R阻抗值Z=R1功率因数cosφ=1纯电感交流电路90°相位差电流滞后电压ωL感抗XL=ωL=2πfL0功率因数cosφ=0纯电容交流电路-90°相位差电流超前电压1/ωC容抗XC=1/ωC=1/2πfC0功率因数cosφ=0RLC串联电路1阻抗Z=√(R²+X²)2电抗X=XL-XC3相位差φ=arctan(X/R)RLC并联电路1导纳Y=√(G²+B²)2电纳B=BC-BL3相位差φ=arctan(B/G)交流电路的功率有功功率P转化为其他形式的功率，P=UI·cosφ无功功率Q交换储存的能量，Q=UI·sinφ视在功率S总功率，S=UI=√(P²+Q²)功率因数cosφ有功功率与视在功率比值，cosφ=P/S功率因数改善功率因数的意义反映电能利用效率低功率因数危害增加线损，降低设备利用率提高方法并联电容器补偿无功功率经济效益降低电费，减少线路投资第三章：三相交流系统工业应用广泛几乎所有现代工业设备电能传输效率高功率传输更平稳电机运行优良自启动，旋转磁场均匀三相交流电的产生转子磁场旋转旋转磁场切割三个绕组感应电动势相位差为120°的三相电动势输出三相电压通过接线端子引出三相连接方式星形连接(Y)三相绕组一端连接成公共点线电压=√3×相电压线电流=相电流三角形连接(Δ)三相绕组首尾相连成闭环线电压=相电压线电流=√3×相电流对称三相电路不对称三相电路三相功率测量1单相负载测量一个瓦特表直接测量2两瓦特表法适用于三线三相系统3三瓦特表法适用于四线三相系统4功率因数测定两表读数比值确定角度旋转磁场三相定子电流三相交流电流通过定子绕组旋转磁场形成空间磁场合成产生匀速旋转磁场转子感应电流磁场切割转子产生电流与转矩第四章：交流变压器基本结构铁心原边绕组副边绕组工作原理电磁感应磁通耦合能量传递主要特点电压变换电气隔离阻抗匹配理想变压器100%效率无损耗能量传递N₁/N₂电压变比U₁/U₂=N₁/N₂N₂/N₁电流变比I₁/I₂=N₂/N₁(N₁/N₂)²阻抗变换Z₁/Z₂=(N₁/N₂)²实际变压器1漏磁通未能链接副边绕组的磁通铁心损耗磁滞损耗和涡流损耗铜损耗绕组电阻引起的热量损失额外损耗杂散损耗和机械损耗变压器等效电路T型等效电路保留激磁支路，便于分析磁化特性Π型等效电路适合并联参数分析简化等效电路忽略小参数，便于工程计算变压器参数测定开路试验测定铁损和激磁参数短路试验测定铜损和阻抗电压参数计算等效电路参数推导性能评估效率和电压调整率分析三相变压器结构形式三个单相变压器组合三相铁心变压器接线方式Y-Y接线Y-Δ接线Δ-Y接线Δ-Δ接线相序检查钟表法表示相序测量仪变压器的并联运行并联条件相同变比相同阻抗电压百分数相同接线组别负载分配按容量比例分配与阻抗成反比并联优势提高供电可靠性灵活应对负载变化便于维护检修第五章：交流电机异步电机工业应用最广泛，依靠感应原理工作同步电机转速恒定，可控功率因数单相电机小功率设备，家用电器常用三相异步电动机结构定子结构硅钢片叠成，内嵌三相绕组鼠笼式转子导条和端环构成闭合回路绕线式转子带有三相绕组，可通过滑环接外电阻三相异步电动机工作原理定子旋转磁场三相电流产生旋转磁场转子感应电流磁场切割导体产生感应电流电磁转矩磁场与转子电流相互作用产生转矩转差率运行转子转速必小于同步速度三相异步电动机等效电路R₁定子电阻表示定子铜损X₁定子漏抗表示定子漏磁通R₂/s转子电阻包含转差率因素X₂转子漏抗表示转子漏磁通三相异步电动机的特性曲线转差率转矩(N·m)效率(%)三相异步电动机的启动三相异步电动机的调速极对数变换调速改变定子绕组连接方式转子变阻调速适用于绕线式电机变频调速改变电源频率最为灵活电压调速适用于负载转矩随速度变化单相异步电动机分相式电动机启动绕组和运行绕组空间相差90°启动力矩小，噪音大电容式电动机采用电容使电流相位差接近90°启动转矩大，运行平稳应用领域风扇、水泵、空调、冰箱等家用电器功率一般不超过2kW同步电机同步发电机发电厂主要设备同步电动机恒速驱动，功率因数可调同步补偿器无功功率补偿，稳定电网电压第六章：交流系统的稳定性稳定性定义系统受扰动后回到平衡状态的能力静态稳定性小扰动下的平衡能力3暂态稳定性大扰动下的稳定能力频率稳定性维持频率在允许范围的能力静态稳定性功角δ(°)功率P(MW)暂态稳定性1大扰动分析故障瞬间功角变化显著等面积法判据加速面积小于减速面积时系统稳定提高措施快速切除故障，增加系统惯性电压稳定性负载功率P(MW)电压V(kV)第七章：交流系统的保护安全可靠保护人身和设备安全2快速切除迅速隔离故障区域选择性动作只切除故障部分灵敏准确能检测各类故障继电保护的基本原理电流保护检测过电流和短路故障电压保护监测过电压和欠电压方向保护判断功率流向距离保护根据阻抗值确定故障距离变压器保护差动保护原理：比较进出电流差值特点：灵敏度高，选择性好应用：主要保护方式过电流保护原理：监测流过的电流大小特点：结构简单，可靠性高应用：后备保护气体保护原理：检测内部故障产生的气体特点：可检测内部故障应用：油浸式变压器输电线路保护纵联保护线路两端信息比较距离保护测量故障点阻抗过电流保护检测短路和过载自动重合闸暂时性故障自动恢复发电机保护定子绕组保护差动保护、接地保护转子绕组保护接地保护、过流保护机械保护轴承温度、振动保护励磁系统保护失磁保护、过励磁保护第八章：交流系统的控制一次设备控制直接作用于电力设备二次控制系统测量、保护和控制回路调度自动化SCADA系统监控整体运行发电机组的调速控制速度检测测量转速与设定值偏差1调节器动作控制阀门开度调整输入功率机组响应输出功率变化影响系统频率AGC监控自动发电控制系统协调多机发电机励磁控制电压检测测量端电压与设定值对比AVR控制自动电压调节器调整励磁电流PSS作用电力系统稳定器抑制功率振荡限制保护限制器防止过励磁和欠励磁无功功率和电压控制1同步发电机通过调节励磁提供无功电容器组投切电容器补偿无功调压变压器改变分接头调节电压4FACTS装置灵活交流输电系统快速响应负荷频率控制时间(s)频率(Hz)第九章：交流系统的经济运行最小成本满足负荷需求下最低运行成本等增率原则所有机组边际成本相等优化算法拉格朗日乘子法、动态规划约束条件机组容量、网络安全限制火电机组的特性出力(MW)热耗率(kJ/kWh)水火电力系统的优化运行水电特点启停迅速调节性能好运行成本低受水资源限制火电特点供应稳定调节范围小启停过程慢燃料成本高优化策略水电承担调峰火电维持基荷水资源优化配置水火电互补运行配电网的经济运行无功优化配置就地平衡无功提高功率因数降低线路损耗线损降低网络结构优化导线截面选择变压器合理运行负荷管理负荷转移需求侧响应分时电价激励第十章：交流系统的规划负荷预测分析用电需求增长趋势2电源规划确定电源结构和装机容量3电网规划优化电网结构和线路布局投资决