高压进网电工理论知识-交流电路 (2)

高压进网电工理论知识第一章 电工基础知识第三节第三节 交流电路交流电路一、单相交流电路一、单相交流电路（一）概述（一）概述 电压或电流的大小和方向均随时间变化时，称电压或电流的大小和方向均随时间变化时，称为交流电，最常见的交流电是随时间按正弦规律变为交流电，最常见的交流电是随时间按正弦规律变化正弦电压和正弦电流。化正弦电压和正弦电流。u、it01 1、描述交流电大小的物理量、描述交流电大小的物理量瞬时值瞬时值交流电在任一瞬间的值，记为交流电在任一瞬间的值，记为u、i最大值最大值瞬时值中的最大值，记为瞬时值中的最大值，记为Um、Im有效值有效值与交流电热效应相同的直流电数与交流电热效应相同的直流电数值，值，记为记为U、I。平均值平均值交流电正半周期内，瞬时值的平交流电正半周期内，瞬时值的平均数，均数，记为记为UP、IP。电器电器 220V最高耐压最高耐压300V 一台耐压为一台耐压为 300V 的电器，是否可用于的电器，是否可用于220V线路线路?电器电器最高耐压低于电源电压最大值，此电器不可最高耐压低于电源电压最大值，此电器不可用于用于220V线路线路。有效值有效值 U=220V线路电源电压线路电源电压结论结论最大值最大值 Um=311V 2 2、描述交流电变化快慢的物理量、描述交流电变化快慢的物理量周期周期T T交流电完成一个循环所需的时间，交流电完成一个循环所需的时间，单位是秒（单位是秒（s s）。）。交流电每秒内重复变化的次数交流电每秒内重复变化的次数,单位是赫兹（单位是赫兹（HzHz）。）。频率频率f f角频率角频率交流电每秒内变化的角度，单位交流电每秒内变化的角度，单位是弧度每秒（是弧度每秒（rad/srad/s）。）。3 3、交流电的初相位、相位、相位差、交流电的初相位、相位、相位差正弦交流电流的波形正弦交流电流的波形图如右图所示，其数图如右图所示，其数学表达式见下式学表达式见下式角频率角频率最大值最大值初相角初相角 Im 2 TiO 表示正弦量在表示正弦量在 t=0时的相角，单位为度或弧度。时的相角，单位为度或弧度。决定正弦量起始位置。决定正弦量起始位置。反映正弦量变化的进程。反映正弦量变化的进程。iO相位相位初相位初相位相位差相位差两两同频率同频率的正弦量间的初相位之差。的正弦量间的初相位之差。|1800如：如：若若电压超前电流电压超前电流电压超前电流电压超前电流 则二者的相位差则二者的相位差 为为：uiu i tO明确明确若若电压滞后电流电压滞后电流电压滞后电流电压滞后电流 电流与电压正交电流与电压正交电流与电压正交电流与电压正交 电压与电流电压与电流电压与电流电压与电流同相同相同相同相 电流超前电压电流超前电压电流超前电压电流超前电压 电压与电流反相电压与电流反相电压与电流反相电压与电流反相uitui Oiutui90OuituiOtuiuiO4 4、趋肤效应、趋肤效应 交流电路中，随着频率的变化，在导线截面上的电流分布不均匀。且随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中，当频率高到一定时，电流就明显的集中到导体表面附件流动，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应使导线的有效截面积减小，等效电阻增加。不同频率的正弦量比较无意义。不同频率的正弦量比较无意义。两同频率的正弦量之间的相位差为常数，与计两同频率的正弦量之间的相位差为常数，与计时的选择起点无关。时的选择起点无关。注意注意注意注意:tO（二）纯电阻电路（二）纯电阻电路1.1.电压与电流的关系电压与电流的关系设设根据欧姆定律根据欧姆定律:Ru+_ _ 大小关系：大小关系：大小关系：大小关系：相位关系：相位关系：相位关系：相位关系：u u、i i 相位相同相位相同相位相同相位相同 频率相同频率相同频率相同频率相同(1)(1)瞬时功率瞬时功率p ppituOtpOiu 瞬时功率的功率平均值。瞬时功率的功率平均值。瞬时功率为瞬时电压与瞬时功率为瞬时电压与瞬时电流的乘积，数值随时瞬时电流的乘积，数值随时间变化，间变化，无实际意义。无实际意义。波形波形如下图所示。如下图所示。(2)(2)平均功率平均功率(有功功率有功功率)P)P单位单位:瓦（瓦（W W）式中，式中，U U、I I为电压电流有效值。为电压电流有效值。P注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。注意：通常铭牌数据或测量的功率均指有功功率。2.2.功率功率 频率相同频率相同 电源频率和电感一定时，电压有效值和电流有电源频率和电感一定时，电压有效值和电流有效值成正比。效值成正比。电压超前电流电压超前电流9090 相位差相位差+-eL+-Lu uttu u i ii iO O（三）纯电感电路（三）纯电感电路1.1.电压与电流的关系电压与电流的关系 当电感元件流过正弦电流当电感元件流过正弦电流时，电感元件两端的电压是正时，电感元件两端的电压是正弦电压。二者的关系为：弦电压。二者的关系为：纯电感交流电路中，电感电压有效值和电纯电感交流电路中，电感电压有效值和电流有效值之比反映了电感元件对交流电流的阻流有效值之比反映了电感元件对交流电流的阻碍作用，叫做电感的电抗，简称感抗，用碍作用，叫做电感的电抗，简称感抗，用X XL L表表示。示。2 2.关于感抗关于感抗可以证明，感抗与电源频率及自感成正比，即可以证明，感抗与电源频率及自感成正比，即单位：欧姆（单位：欧姆（）电感电感L具有通直阻交的作用具有通直阻交的作用直流：直流：直流：直流：f=0,XL=0，电感电感L视为视为短路短路交流：交流：交流：交流：fX XL L由由 可知可知 引入感抗后，电感元件电压电流的有效值引入感抗后，电感元件电压电流的有效值关系可表示为关系可表示为(1)(1)瞬时功率瞬时功率p p3 3.功率功率设设则则可见瞬时功率的频率是电压或电流频率的可见瞬时功率的频率是电压或电流频率的2 2倍。倍。储能储能储能储能p 0瞬时功率的波形如下图所示瞬时功率的波形如下图所示+p 0p 0放能放能放能放能 储能储能储能储能 放能放能放能放能 电感电感L L是储能是储能元件。元件。iuopo结论：结论：纯电感不消纯电感不消耗能量，耗能量，只和只和电源进行能量电源进行能量交换（能量的交换（能量的吞吐吞吐)。可逆的能量可逆的能量可逆的能量可逆的能量转换过程转换过程转换过程转换过程(2)(2)(2)(2)平均功率平均功率纯电感不消耗能量纯电感不消耗能量，所以其平均功率为零。，所以其平均功率为零。电感元件和电源进行能量交换的规模或速率用电感元件和电源进行能量交换的规模或速率用无功功率无功功率Q Q表示，用表示，用瞬时功率的最大值表征，即瞬时功率的最大值表征，即(3)(3)(3)(3)无功功率无功功率无功功率无功功率单位：乏（单位：乏（var）频率相同频率相同 电源频率和电容一定时，电压有效值和电流有电源频率和电容一定时，电压有效值和电流有效值成正比。效值成正比。电压滞后电流电压滞后电流9090 相位差相位差（四）纯电容电路（四）纯电容电路1.1.电压与电流的关系电压与电流的关系 当给电容元件施加一个正弦当给电容元件施加一个正弦电压电压时，流过电容支路的电流的是正弦电时，流过电容支路的电流的是正弦电流。二者的关系为：流。二者的关系为：uiC+_iu iu 纯电容交流电路中，电容电压有效值和电纯电容交流电路中，电容电压有效值和电流有效值之比反映了电容元件对交流电流的阻流有效值之比反映了电容元件对交流电流的阻碍作用，叫做电容的电抗，简称容抗，用碍作用，叫做电容的电抗，简称容抗，用X XC C表表示。示。2 2.关于容抗关于容抗可以证明，容抗与电源频率及电容成反比，即可以证明，容抗与电源频率及电容成反比，即单位：欧姆（单位：欧姆（）电容具有阻直通交的作用电容具有阻直通交的作用直流：直流：直流：直流：f=0,XC=，电容电容C C视为视为开路开路交流：交流：交流：交流：fX XC C由由 可知可知 引入容抗后，电容元件电压电流的有效值引入容抗后，电容元件电压电流的有效值关系可表示为关系可表示为(1)(1)瞬时功率瞬时功率p p3 3.功率功率设设则则可见瞬时功率的频率是电压或电流频率的可见瞬时功率的频率是电压或电流频率的2 2倍。倍。储能储能储能储能p 0瞬时功率的波形如下图所示瞬时功率的波形如下图所示+p 0p XC时，阻抗角时，阻抗角 0，电压超前电流。，电压超前电流。(2 2 2 2)容性电路容性电路当当XL XC时，阻抗角时，阻抗角 0，电压，电压滞后滞后电流。电流。(3 3 3 3)阻性电路阻性电路当当XL=XC时，阻抗角时，阻抗角=0，电压，电压与与电流电流同相同相。3 3.电压与电流的关系电压与电流的关系(1 1 1 1)大小关系大小关系 RLC RLC串联的交流电路中，总串联的交流电路中，总电压电压的有效值的有效值等于等于电流电流有效值乘以电路的阻抗，即：有效值乘以电路的阻抗，即：(2 2 2 2)相位相位相位相位关系关系 RLC RLC串联的交流电路中，总串联的交流电路中，总电压电压和总和总电流电流之间的相位差由下式计算：之间的相位差由下式计算：4 4.交流电路的功率交流电路的功率反映能量消耗的规模（或速率）。反映能量消耗的规模（或速率）。有功功率有功功率反映能量交换的规模（或速率）。反映能量交换的规模（或速率）。无功功率无功功率主要用来表示发电设备的容量。主要用来表示发电设备的容量。视在功率视在功率PQS功率三角形功率三角形功率因数功率因数5 5.RLCRLC串联电路的分析串联电路的分析（六）功率因数的提高（六）功率因数的提高功率因数功率因数的大小表示电源功率被利用的程度的大小表示电源功率被利用的程度。为此，我国电力行政法规中对用户的功率因数为此，我国电力行政法规中对用户的功率因数有明确的规定（有明确的规定（0.85以上）。以上）。1 1、功率因数低的危害、功率因数低的危害（1 1）电源设备的容量不能充分利用）电源设备的容量不能充分利用（2 2）增加输电线路的功率损耗）增加输电线路的功率损耗给给感性负载采用电容并联补偿。感性负载采用电容并联补偿。2 2、用户提高功率因数方法、用户提高功率因数方法 可见并联电容后，电路总电流减小了，并可见并联电容后，电路总电流减小了，并且总电流和总电压之间的夹角也减小了，从而且总电流和总电压之间的夹角也减小了，从而功率因数提高了，但功率因数提高了，但电路的有功功率未变电路的有功功率未变。二二、三三相交流电路相交流电路（一）概述（一）概述1 1、三相交流电的特点、三相交流电的特点 发电方面：比单发电方面：比单相相电源可提高功率电源可提高功率5050；输电方面：比单输电方面：比单相相输电节省钢材输电节省钢材2525；配电方面：三相变压器比单配电方面：三相变压器比单相相变压器经济且变压器经济且便于接入负载；便于接入负载；用用电设备：结构简单、成本低、运行可靠、电设备：结构简单、成本低、运行可靠、维护方便。维护方便。2 2.对称三相电源的产生对称三相电源的产生通通常常由由三三相相同同步步发发电电机机产产生生，三三相相绕绕组组在在空空间间互互差差120，当当转转子子以以均均匀匀角角速速度度转转动动时时，在在三三相相绕绕组组中中产产生生感感应应电电压压，从从而形成而形成对称三相电源对称三相电源。三相同步发电机示意图三相同步发电机示意图 三相电源是三个频率相同、振幅相同、相位彼三相电源是三个频率相同、振幅相同、相位彼此相差此相差1200的正弦电源。的正弦电源。NSIAZBXCY下 页上 页返 回瞬时值表达式瞬时值表达式波形图波形图A、B、C 三端称为始端，三端称为始端，X、Y、Z 三端称为末端。三端称为末端。u tuAuBuCoA+XuAB+YuBC+ZuC3 3.对称三相电对称三相电压压的的表示表示正序正序(顺序顺序)：ABCA负序负序(逆序逆序)：ACBA 如果不加说明，一般都认为是正相序。工程上如果不加说明，一般都认为是