北理工电气工程基础第2章

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

第二章 基本概念本章主要内容

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 讨论直流传输与交流传输的基本概念 阐述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。 讨论单相系统的缺陷、三相系统的优点 以及对称三相系统的单相分析法。

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

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

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

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。发电机组中的原动机属动力系统的范畴,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。

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

1.动能(Kinetic energy)1 E J 2 2 式中：Ω 为发电机转子机械角速度( rad/s) J为发电机转子的转动惯量(kg.m2)

1 2 W mv 2

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

2.位能(Potential energy)原动机对发电机转子施加的力矩形成转子位能。 T为原动机的转矩

WPE T d r

当T恒定时

WPE T ( r )弹簧： WPE Fx 重力：WPE mgh

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3.磁场能(Magnetic field energy)

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动机定子及转子绕组 都存在磁场，因而都储藏磁场能 。

W

mf

1 2 Li 2

当存在两个线圈时

Wmf

1 2 1 2 L1i1 L2i2 Mi1i2 2 2

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PWM的基本原理

理论基础面积等效原理——冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量效果基本相同f (t) f (t)

窄脉冲的面积环节的输出响应波形基本相同f (t) f (t) (t)

Oa)矩形脉冲

t O

t t O t O c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数 b)三角形脉冲

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PWM的基本原理u

uO

SPWM波ωt

u

>

O

> ωt

O

ωtUd O -Ud

>

wt

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

[例2-1]施加交流电压至一具有电感L的线圈，求储藏的磁场能与相应的功率。

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[例2-1]施加交流电压至一具有电感L的线圈，求储藏的磁场能与相应的功率。 解：线圈中的电流落后于电压，并等于umax u sin(w t 90 )

max cos w t wL wL 2 1 umax 2 Wmf L cos wt 2 2 w L i 2 1 umax p sin 2w t dt 2 wL

imax功率

dWmf

上式表明功率变化速率是电压变化速率的两 倍，并且平均功率为零。

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4.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。 1 2 Wef Cu 2

5.耗散能(Dissipative energy)电力系统中，电流流经导线时因导线存在 电阻生成热能散发出去而消耗掉，即耗散能。Wd

0

R[i (t )]2 dt

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[例2-2]具有26.5uF的电容器：(a)带电至直流电位110kV,问多少能量存储于此装置？(b) 施加交流电压 umax sin wt ,求储藏于电场中的能 量及相应的功率。 解:(a) Wef 1 CU 2 1 26.5 10 6 (110 103 ) 2 160325 J2 2 1 1 2 2 (b) Wef CU Cumax sin 2 wt 2 2 dWef 1 2 2 p w Cumax sin 2wt dt 2

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二、旋转电机中的能量转换

电动机：将输入电功率转换成机械功率输出,是主要负载。发电机：将输入机械功率转换成电功率输出，是电力系统 的电源。

同步电机可以作为发电机也可以作为电动机，但从发电机过渡到电动机时，电流方向相反

同步机：磁场对定子速度和转子速度相同异步机：有滑差s,磁场对定子速度为v,对转子速度为sv ,转子转速为(1-s)v。

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第二节 直流传输r i u1 u2 R

i输入端功率： 输出端功率：

p1 u1i (u2 ir )i

p 2 u2i

p2 u2 u2 效率： p1 u 2 ir u1

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第三节 交流传输1.单相系统 2.对称三相系统

3.Δ 联接的三相负载4.单相分析法

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《电气工程基础》 第二章 基本概念

1. 单相系统无源线性一端口网络 电压和电流瞬时值：

i+ u -

u um sin w t i im sin(w t )

是功率因数 当电压领先于电流时， 规定为正