交流電源概述交流電源是現代電力系統的基礎，通過電流周期性變化提供能量傳輸。課程目標掌握交流電基本原理理解正弦交流電特性與數學表示熟悉交流電路分析方法能夠計算復雜交流電路的電壓、電流和功率認識交流電源設備了解發電機、變壓器和電動機工作原理理解電源質量與安全交流電基本概念定義方向和大小隨時間周期性變化的電流特點可以通過變壓器改變電壓，便于長距離輸電應用家用電器、工業設備和電力系統正弦交流電的特征波形遵循正弦函數變化規律幅值波形達到的最大值周期完成一次完整振蕩所需時間相位波形在時間軸上的相對位置頻率和周期頻率定義單位時間內完成的周期性變化次數單位：赫茲(Hz)標準工頻：50Hz(中國)/60Hz(美國)周期定義完成一次完整振蕩所需時間單位：秒(s)周期T=1/頻率f相位和相位差相位定義交流量在一個周期內的瞬時位置1相位差兩個同頻率交流量之間的相位角度差異2超前與滯后相位差為正表示超前，為負表示滯后3應用三相系統中的相位差為120°4有效值和平均值1平均值一個周期內瞬時值的代數平均正弦交流電的平均值為零2有效值產生相同熱效應的直流電值正弦波有效值=最大值/√23實際應用儀表顯示的通常是有效值家用電為220V指的是有效值交流電的數學表示時域表示i=Imsin(ωt+φ)相量表示I=Im∠φ復數表示I=a+jb相量表示法1簡化計算將時域微分方程轉換為代數方程2幾何表示用旋轉向量表示正弦量3復數形式結合實部和虛部交流電路元件：電阻歐姆定律適用U=IR電壓電流同相φ=0°能量轉換電能轉化為熱能阻抗特性Z=R交流電路元件：電感電感定義儲存磁場能量的元件電壓電流關系U=L·di/dt相位特性電流滯后電壓90°感抗計算XL=ωL=2πfL交流電路元件：電容定義儲存電場能量的元件電壓電流關系I=C·du/dt相位特性電流超前電壓90°容抗計算XC=1/(ωC)=1/(2πfC)RLC串聯電路電阻消耗有功功率電感儲存磁場能量電容儲存電場能量總阻抗Z=√(R2+(XL-XC)2)RLC并聯電路Y導納Y=1/Z，表示電路對電流的通過能力G電導G=1/R，電阻的倒數B電納B=BC-BL，容納與感納之差交流電路的功率有功功率實際消耗的能量，單位為瓦特(W)無功功率僅在電路中往復振蕩，單位為乏(var)視在功率有功與無功的合成，單位為伏安(VA)有功功率、無功功率和視在功率有功功率P感性無功功率QL容性無功功率QC功率因數功率因數校正低功率因數問題導致線路損耗增加和供電能力下降并聯電容補償向感性負載提供容性無功功率同步補償器通過調整勵磁電流改變功率因數效益分析降低電費支出，提高設備利用率諧振電路諧振條件XL=XCωL=1/ωC諧振頻率：f?=1/(2π√LC)諧振特點阻抗達到極值電路電壓或電流達到最大電路呈純電阻性串聯諧振最小阻抗Z=R最大電流I=U/R品質因數Q=ω?L/R=1/(ω?CR)通頻帶Δf=f?/Q并聯諧振三相交流電源系統定義由三個頻率相同、振幅相等、相位差120°的正弦電壓組成特點功率傳輸穩定，效率高，可生成旋轉磁場應用領域工業用電、電力傳輸系統、大型電機驅動三相電源的優勢功率輸出穩定瞬時功率恒定2銅材利用率高同功率下導線截面積減少25%產生旋轉磁場可實現簡單高效的電機驅動星形連接1234結構特點三個繞組一端連接形成中性點電壓關系線電壓等于相電壓的√3倍電流關系線電流等于相電流應用場景需要中性線的低壓配電系統三角形連接結構特點三個繞組首尾相連形成閉環電壓關系線電壓等于相電壓電流關系線電流等于相電流的√3倍應用場景大功率工業電動機驅動系統三相平衡負載定義三相負載阻抗相等且性質相同功率特性瞬時功率恒定，無脈動中性線電流星形連接中性線電流為零4典型應用三相電動機、三相電爐三相不平衡負載IN中性線電流不為零，需考慮中性線載流能力P功率波動瞬時功率存在波動η效率降低線路損耗增加，設備利用率下降三相功率計算交流發電機原理電磁感應導體切割磁力線產生感應電動勢旋轉運動轉子旋轉使磁場相對定子繞組切割頻率關系f=np/60，n為轉速，p為極對數電壓調節通過調整勵磁電流控制輸出電壓同步發電機結構特點轉子帶有直流勵磁繞組定子帶有三相交流繞組轉速與電網頻率同步工作原理轉子勵磁產生旋轉磁場磁場切割定子繞組產生感應電動勢轉速n=60f/p異步發電機變壓器原理工作原理基于電磁感應定律構成部件鐵芯、初級繞組和次級繞組變壓比關系電壓比等于匝數比功率傳遞理想變壓器輸入功率等于輸出功率變壓器類型電力變壓器用于電力系統的升壓和降壓儀表變壓器為測量儀表提供標準電壓或電流電子變壓器用于電子設備中的低壓電源變壓器損耗鐵損銅損雜散損耗介質損耗自耦變壓器結構特點原、副邊共用一部分繞組優點體積小，銅耗低，效率高缺點原、副邊無電氣隔離應用場景電動機啟動、電壓調整交流電動機原理旋轉磁場三相電流產生旋轉磁場電磁力矩轉子導體受力產生轉矩轉速調節通過改變頻率或極對數功率傳遞電磁功率轉化為機械功率同步電動機工作特點轉速恒定，與電源頻率同步轉速計算n=60f/p，f為頻率，p為極對數功率因數可通過調節勵磁電流調整應用場合大功率恒速驅動，如壓縮機、水泵異步電動機1工作原理基于電磁感應和旋轉磁場轉差率s=(n?-n?)/n?3轉矩特性存在起動轉矩和最大轉矩單相電動機電容啟動型啟動時使用輔助繞組和電容分相啟動型利用主、輔繞組電流相位差鼠籠式轉子由鋁條和端環組成的籠形結構交流輸電系統電壓等級超高壓：500kV及以上高壓：110kV~330kV中壓：10kV~35kV系統構成發電廠變電站輸電線路配電網絡輸電方式架空輸電電纜輸電柔性交流輸電高壓輸電的優勢1傳輸容量大同等線徑下可傳輸更大功率2線損降低同等功率下電流減小，I2R損耗降低3輸電距離遠可實現遠距離大容量能源輸送4經濟性好降低線路材料成本和運行費用輸電線路損耗熱損耗由電流流過電阻產生電暈損耗高壓線周圍空氣電離產生漏電損耗經絕緣子表面泄漏電流造成電力系統穩定性靜態穩定性系統抵抗小擾動的能力動態穩定性系統抵抗大擾動的能力電壓穩定性維持所有節點電壓的能力頻率穩定性平衡有功功率的能力交流電源質量問題諧波污染非線性負載產生的高頻分量電壓閃變電壓幅值的快速波動電壓驟降短時間內電壓幅值降低三相不平衡三相電壓或電流幅值、相位不等諧波污染電壓波動和閃變定義電壓幅值的連續或隨機變化閃變是電壓波動導致的視覺效果產生原因大型負載的啟停電弧爐等波動性負載風力發電機組功率波動電壓驟降和中斷電壓驟降電壓有效值降至額定值的10%-90%2短時中斷電壓降至額定值的10%以下主要原因短路故障、大型設備啟動不良影響設備誤動作、生產中斷電源質量改善措施無功補償技術靜態無功補償器(SVC)利用晶閘管控制的電感或電容實現快速無功調節靜止同步補償器(STATCOM)使用電壓源逆變器提供連續可調的無功功率被動無功補償固定或可投切的電容器組、濾波補償裝置有源濾波器工作原理檢測負載電流中的諧波成分補償方式產生與諧波相等幅值、相反相位的電流核心部件功率電子器件和數字控制系統應用場景變頻器、UPS、整流器等諧波源豐富的場合不間斷電源（UPS）在線式UPS雙重轉換，完全隔離市電1后備式UPS市電中斷時才切換到逆變供電2線路交互式UPS具有電壓調節功能的后備式UPS3應用領域數據中心、醫療設備、工業控制系統4交流電源的測量V電壓測量電壓表并聯在被測電路兩端A電流測量電流表串聯在被測電路中W功率測量功率表電壓線并聯，電流線串聯Hz頻率測量頻率表并聯在被測電路中電壓和電流測量指針式儀表利用電磁效應使指針偏轉數字儀表將模擬信號轉換為數字顯示鉗形表利用電磁感應無需斷開電路測量電流功率和功率因數測量單相功率測量使用功率表或電壓、電流、相位法三相功率測量三瓦特表法或二瓦特表法功率因數測量利用功率因數表或通過有功功率和視在功率計算現代測量方法使用電能質量分析儀同時測量多種參數諧波分析交流電源的安全問題直接觸電人體直接接觸帶電體間接觸電接觸因絕緣故障帶電的外殼電弧危害短路產生高溫電弧接地和漏電保護保護接地將設備外殼可靠連接到地接零保護將設備外殼與工作零線連接漏電保護器檢測零線和火線電流差值等電位連接減少金屬部件間的電位差過電壓和過電流保護熔斷器利用熱效應切斷過電流電路斷路器自動檢測并切斷故障電路浪涌保