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能源与节能管理基础第五章 电工基础知识(以下内容均按教学辅导材料编写),知识结构,3,一、知识结构,4,（一）介质极化现象 在外电场作用下，电介质显示电性的现象。（二）物质磁化现象 在外磁场作用下，物质对外显现磁性的现象。（三）磁路定律 无分支闭合磁路的欧姆定律， Rm= Em 。（四）电子技术基础 1.PN结的单向导电性,二、了解内容,5,2.二极管 二极管的主要特性是单向导电性。可把交流电整流为直流电。,3.三极管： 结构：三极管三个电极，三个区、两个PN结。 功能：能起放大、振荡或开关等作用。 三极管有PNP型和NPN型两种。,二、了解内容,6,（一）直流电路的基本概念 1.电路 电路就是电流通过的路径。它由电源、负载、连接导线和开关等组成。电路的状态：开路、短路、通路。,三、理解要点,7,2.电流、电压、电动势、电阻 (1) 电流：电流的数值等于单位时间内通过导体截面的电荷量。 计算公式 ，单位：安培（A） (2) 电压：电场中两点之间的电位差。 用U表示，单位：伏特(V) (3) 电动势： 用E表示，单位：伏特(V),三、理解要点,8,(4) 电阻：电流在导体中流动时受到的阻力。 一段金属导体的电阻大小与导体的材料、长度和横截面积有关。 3.电路的连接形式 电路有串联、并联和混联三种连接形式。,三、理解要点,9,（二）电场和磁场的基本概念 1.电场强度E ：描述电场强弱的物理量。 2.磁感应强度B：描述磁场强弱的物理量. 3.自感： 4.互感：,三、理解要点,10,5.磁滞和磁滞损耗 磁滞：铁磁材料所具有的磁通密度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象。 磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反复磁化，与此同时，磁畴相互间不停的摩擦，消耗能量，造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。,三、理解要点,11,（三）电场和磁场的基本定律 1.电荷守恒和电流连续性原理 电荷是守恒的，它既不能产生也不能消灭。 2.库仑力定律 两个点电荷之间作用力的大小与两电荷量乘积成正比，与距离的平方成反比。 3.安培力定律 有关两个电流回路之间磁场力的定律，安培力定律是研究磁场力的基础。,三、理解要点,12,（一）欧姆定律 欧姆定律是表示电压、电流和电阻三者关系的基本定律。 1.部分电路欧姆定律： 2.全电路欧姆定律：,四、掌握重点,13,（二）电功和电功率 (1)电功：电流所做的功， 对于纯电阻性负载， 单位：焦耳(J)、千瓦时(kW.h)（度）。 (2)电功率：电流在单位时间内所作的功， 对于纯电阻性负载， 单位：瓦（W）或(kW),四、掌握重点,14,（三）电流的热效应 电流通过导体时产生热的现象。 焦耳定律， 对于纯电阻性负载，产生的热量与电流做 的功相等， 单位：焦耳（J）。,四、掌握重点,15,（四）电磁感应定律 当穿过导体回路围成面积的磁链随时间变化时，导体回路中将产生感应电动势。,四、掌握重点,16,（五）涡流、集肤效应 1.涡流 涡流：导体在变化的磁场中，内部产生的呈旋涡状的电流。 用途：涡流炼钢；危害：变压器铁心发热。 2.集肤效应 集肤效应：高频电流几乎只在导体表面附近一薄层内流动的现象。 电视天线一般用铝（铜）管制作。,三、掌握重点,17,（六）单相交流电路 1.交流电的定义大小和方向都随时间按照一定规律做周期性变化。 2.正弦交流电的表达式： 3.交流电的基本物理量 （1）瞬时值：交流电某一时刻的数值。 （2）最大值：瞬时值中的最大的数值。,四、掌握重点,18,（3）有效值： 正弦交流电的有效值等于最大值的 。 （4）周期： T，单位：秒（s） （5）频率： f ， 单位：赫兹（Hz）。 （6）角频率：单位时间内变化的角度。 周期与频率之间的关系：,四、掌握重点,19,（7）相 位：表达式中的 。 （8）初相位：t=0时的相位，表达式中的 。 （9）相位差：两个同频率的正弦交流电的相位之差。交流电的相位关系：同相、超前、滞后、反相,四、掌握重点,20,4.单相正弦稳态电路的功率 （1）瞬时功率 （2）有功功率 （也称平均功率） 单位:(kW) 实际消耗功率。 （3）无功功率 （电源和电感、电容交换功率） 单位: (kVAR) （4）视在功率 单位：(kVA)。,四、掌握重点,21,（七）三相交流电路 1.三相交流电路 由三个频率相同、振幅相同、相位彼此相差120的正弦电动势作为供电电源的电路。,四、掌握重点,22,2. 对称三相电源的表达式： 三相电源的瞬时值之和为零。 3. 相序：三相电源中各相电源经过同一值（如最大值）的先后顺序。 正序（顺序）：ABCA； 负序（逆序）：ACBA。,四、掌握重点,23,4.三相电源的联接,Y联接：线电压大小是相电压的 倍； 联接：线电压与相电压大小相等。,四、掌握重点,24,无中线连接时，三相电源对负载的连接为三相三线制，有中线时为三相四线制。 5. 三相负载及其联接 三相负载也有星形和三角形两种联接方式。,四、掌握重点,25,(1) 线电压、线电流、相电压、相电流概念 (2) Y连接时，线电流与相电流相等，线电压是相电压的 倍。 (3) 形连接时，线电流是相电流的 倍， 线电压与相电压相等。,四、掌握重点,26,6.三相负载有功功率、无功功率和视在功率,四、掌握重点,27,一、知识结构,28,（一）电力系统的基本概念 电力系统是由生产、变换、输送、分配、消费电能的设备和各种用电设备以及测量、保护、控制等智能装置组成的统一整体。 （二）电力网的基本概念与基本参量 1.电力网络 2.描述一个电力系统的基本参量 总装机容量、年发电量、最大负荷、额定频率和最高电压等级。,二、了解内容,29,（三）电力负荷的分类 电力负荷的七种分类方法： 1.按用电的部门属性来划分（工业用电、农业用电等）； 2.按负荷的大小划分（最大负荷、最小负荷、平均负荷）； 3.按使用电力目的划分（动力、照明等）； 4.按用电用户的重要性划分（类、类、类负荷）；,二、了解内容,30,5.按年最大负荷预测的时间长短划分； 6.按电能的生产和销售过程划分（发电负荷、 供电负荷、用电负荷）； 7.按国民经济行业用电划分。,二、了解内容,31,（四）供电系统 基本供电系统分为三相三线制(380V)和三相四线制(380/220V)。国际电工委员会(IEC）分为： 1.TT系统： (保护接地)。 2.TN系统：(保护接零)。 TN系统中，又划分为TN-C系统和TN-S系统。 (1)TN-C系统：工作零线兼做保护零线(PEN) (2)TN-S系统：工作零线与保护线分开。,二、了解内容,32,二、了解内容,33,二、了解内容,34,二、了解内容,35,二、了解内容,36,二、了解内容,37,(3)TN-C-S系统： 3.IT系统： (保护接地)。,（五）用户供电电压的选择 一般用户的供电电压为610kV，大中型工业企业的供电电压可为35kV。 用户供电系统的高压配电电压一般采用610kV。 低压配电电压我国是380/220V。,二、了解内容,38,（一）电能质量的基本参量（六个指标） 1.电压偏差： 2.电压波动： 3.电压闪变： 4.电压正弦波畸变率： 5.负序电压系数 6.频率偏差：,三、理解要点,39,（一）电力负荷的基本概念 1.设备安装容量 设备安装容量PN（亦称设备功率）是指连续工作的用电设备铭牌上的标称功率PE。 2.负荷与负荷曲线 电力负荷是指单台用电设备或一组用电设备从电源取用的电功率，包括有功功率、无功功率和视在功率。 所谓负荷曲线就是指在某一段时间内用电设备有功、无功负荷随时间变化的图形。,四、掌握重点,40,3.平均负荷、最大负荷、有效负荷与计算负荷 （1）平均负荷Pav。平均负荷是指电力负荷在一段时间内的平均值。 （2）最大负荷Pmax。年最大负荷是指全年中负荷最大的工作班内消耗电能最大的半小时的平均负荷，因此，年最大负荷也称为半小时最大负荷P30。 （3）有效负荷Pe。有效负荷是指由典型工作班负荷曲线确定的的平均负荷。,四、掌握重点,41,（4）计算负荷Pc。在用户供电系统设计中， 必须首先确定计算负荷。计算负荷是该用户典型负荷曲线上的半小时（30分钟）最大平均负荷。 4.负荷系数 负荷系数是指平均负荷与最大负荷之比，它反映了负荷的平稳程度。负荷系数常分为有功负荷系数a和无功负荷系数。,四、掌握重点,42,5.年最大负荷利用小时数 年最大负荷利用小时数Tmax是这样一个假想时间：电力负荷按照最大负荷Pmax持续运行Tmax时间所消耗的电能恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能Wa，因此年最大负荷利用小时数为：,四、掌握重点,43,（二）供电质量的具体指标 供电质量包括电能质量和供电可靠性两部分。六个指标： 1.电网频率：电力系统正常偏差 2.电压偏差 规定：35kV及以上，正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%； 20kV及以下，正负偏差的绝对值之和为额定电压的7%；,四、掌握重点,44,220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%，-10%。 3.三相电压不平衡：电力系统公共连接点正常电压不平衡度为2%，短时不能超4%。 4.公用电网谐波 5.电压波动和闪变 6.可靠性：（四个主要指标） (1) 供电可靠率；(2) 用户平均停电时间； (3) 用户平均停电次数；(4) 用户平均故障停电次数。,四、掌握重点,45,（三）提高功率因数的意义（ 四个方面） 1.在一定的有功功率下，可以减小供电线路和变压器的容量，减少供电投资。 2.可以提高供电设备利用率。 3.当输出的有功功率相同时，可以减小线路电流，减小线路损耗。 4.变压器容量一定时，可以增大输出的有功功率，减小输出的无功功率。 高压供电系统功率因数应达到0.90以上，其它用户功率因数应在0.85以上。,四、掌握重点,46,（四）无功功率补偿原理 把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率进行补偿。,四、掌握重点,47,（五）无功功率补偿的方法 1.利用过激磁的同步电动机； 2.利用调相机做无功功率电源； 3.异步电动机同步化运行； 4.电力电容器作为补偿装置。电力电容器作为补偿装置是广泛采用的补偿方法。（六）电力电容器的补偿方法 1.串联补偿是把电容器直接串联到高压输电线路上，应用于高压远距离输电线路上，用电单位很少采用。,四、掌握重点,48,2.并联补偿是把电容器直接与被补偿设备并接到同一电路上，用电企业一般采用这种补偿方法。（七）并联电容器补偿无功功率 1.并联电容器的作用 （1）补偿无功功率，提高功率因数； （2）提高设备出力； （3）降低功率损耗和电能损失； （4）改善电压质量。,四、掌握重点,49,2.补偿容量 功率因数由cos提高到cos需并联的电容器为：,四、掌握重点,50,（八）并联电容器的补偿方式 1.并联电容器与电力网的联接 在三相供电系统中： 单相电容器的额定电压与电力网的额定电压相同时，应采用三角形接法； 三相电容器只要其额定电压等于或高于电网的额定电压可直接接入。 2.并联电容器的补偿形式 个别补偿、分散补偿和集中补偿三种形式。,四、掌握重点,51,(1)个别补偿 个别补偿是指对单台用电设备所需无功功率就近补偿的办法。 (2) 分散补偿 分散补偿是指将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路的出线上。 (3) 集中补偿 集中补偿是指把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。,四、掌握重点,52,一、知识结构,53,（一）特殊变压器 1.自耦变压器,二、了解内容,54,2.电流互感器,二、了解内容,55,3.电压互感器,二、了解内容,56,（二）三相异步电动机的电路分析 三相异步电动机的每相电路图如下图所示。,二、了解内容,57,（三）三相异步电动机的额定转矩、最大转矩 和起动转矩 （1）额定转矩 PN(kW), nN (r/min), TN (N.m)牛米 （2）最大转矩 （3）起动转矩 此时s1。,二、了解内容,58,（四）同步电动机和控制电机 同步电动机特点：电源频率一定时，转速是恒定的；转子的转速与负载大小无关。 控制电机的种类很多，常用的有伺服电动机、测速发电机、步进电机。,二、了解内容,59,（一）直流电动机的工作原理 结构：定子（磁极）和转子（电枢）构成。 原理：左手定则原理。,三、理解要点,60,（1）电枢感应电动势公式 E =KE n 。 （2）电枢回路电压平衡式、等效电路图,三、理解要点,61,（3）电磁转矩 T =KT Ia KT 常数； 磁通量 ； Ia 电枢电流。 （4）转矩平衡关系 在电机运行时，T=T2+T0 。 （二）异步电动机的工作原理 （1）旋转磁场 （2）旋转磁场的旋转方向：与相序有关。 （3）旋转磁场的极对数p：与三相绕组的结构有关，也就是所说的电动机的极对数。,三、理解要点,62,（4）旋转磁场的转速： 又叫做同步转速。（5）三相异步电动机的转动原理 定子绕组通入三相对称交流电时产生旋转磁场；磁通切割转子导条，导条中就感应出电动势。 在电动势作用下，闭合的导条中就有电流。,三、理解要点,63,电流与旋转磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，产生电磁转矩，转子就转动起来。 （6）转差率：同步转速和电动机转速之差与同步转速之比称为转差率，通常额定转差率约为1%9%。,三、理解要点,64,（一）变压器的工作原理,变压器由闭合铁心和高低压绕组等几个主要部分组成。,四、掌握重点,65,（1）电压变换 一次、二次侧电压变关系为 （2）电流变换 一次、二次绕组的电流关系为 （3）阻抗变换 阻抗变换关系为,四、掌握重点,66,（二）变压器的额定值 1.额定电压U1N、U2N 变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值。 三相时U1N、U2N是一次、二次侧的线电压。 2.额定电流I1N、I2N 变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。 三相时额定电流是一次、二次侧的线电流。,四、掌握重点,67,3.额定容量SN （kVA） 传送功率的最大能力。 单相变压器： 三相变压器：,四、掌握重点,68,（三）变压器的损耗与效率 变压器的功率损耗包括铁芯中的铁损耗PFe和绕组上的铜损耗PCu两部分。 铁耗与原边绕组所施加的电压有关，通常称为不变损耗； 铜耗为原边、副边绕组电阻上所消耗的功率，故称之为可变损耗。 效率：,四、掌握重点,69,（四）直流电动机的机械特性及调速 1.直流电动机的机械特性 电动机的转速n与转矩T之间关系的n=f（T）曲线，称为机械特性曲线。,四、掌握重点,70,2.直流电动机调速 由直流电动机转速公式 直流电机的调速方法有三种： （1）改变磁通调速 保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调 )以改变磁通 。 机械特性曲线如右图。 通常只是减小磁通，将转速往上调。,四、掌握重点,71,（2）改变电压调速（和Ra一定） 由转速公式可知，调电压U时，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。 由于磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩也是一定的（恒转矩调速）。,四、掌握重点,72,（3）电枢回路串电阻调速 串入电阻时电机的机械特性曲线如图所示。 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电 阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。,四、掌握重点,73,（五）三相异步电动机转矩与机械特性 1.转矩公式,四、掌握重点,74,2.机械特性曲线 机械特性曲线是指转矩与转差率的关系曲线T= f (s)，或转速与转矩的关系曲线,T=f (s)曲线,nf (T)曲线,四、掌握重点,75,（六）三相异步电动机的起动 1.起动性能 起动时：n=0，s=1。 特点：一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的57倍；电动机的起动转矩为额定转矩的1.02.2倍。 后果：频繁起动时造成热量积累，使电机过热。,四、掌握重点,76,2.起动方法 异步电动机有直接起动(10kW以下)、降压起动、转子电路串电阻起动。 （1）异步电动机的降压起动方法 Y换接起动：起动时把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的 ，起动电流和起动转矩减小为直接起动时的1/3。适合于空载或轻载起动 ，额定接法为接法的电动机。,四、掌握重点,77,星三角降压起动接线示意图,Y型起动,运行,四、掌握重点,78,自耦变压器降压起动： 概念： 原理：直接起动时的起动电流Ist与自耦降压起动时的线路电流 之比 ，直接起动转矩与自耦降压起动转矩之比为 。K为自耦变压器的变比。 自耦降压起动适合于容量较大且正常运行时联成Y形，不能采用Y起动的笼型异步电动机。,四、掌握重点,79,自耦变压器降压起动控制电路,四、掌握重点,80,（2）转子串电阻起动方法 绕线型电机，在转子电路中接入适当的起动电阻，既可以减小起动电流，又可以增大起动转矩。,四、掌握重点,81,（七）三相异步电动机的调速 根据转速公式 ， 改变电动机的转速有三种方法。 （1）变频调速 改变电动机电源频率来改变电动机的转速，称为变频调速。变频调速要使用变频器，它主要由整流器和逆变器两大部分组成。,四、掌握重点,82,变频调速要使用变频调速装置（变频器），它主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率f1可调、电压U1也可调的三相交流电，供给三相笼型电动机。,四、掌握重点,83,（2）变极调速 根据转速公式 改变电动机定子磁场的磁极对数，可改变电动机的转速。由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合。,四、掌握重点,84,（3）变转差率调速 调压调速、转子回路串电阻调速都属于变转差率调速。在绕线型电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑调速。增大调速电阻时，转差率上升，转速下降。 这种调速方法的优点是设备简单、投资少，但能量损耗较大，广泛应用于起重设备中。,四、掌握重点,85,一、知识结构,86,（一）电气线路的作用与分类 其作用是输送和分配电能。可分为输电线路和配电线路。（二）架空线路 1.架空电气线路构成 主要由杆塔、绝缘子、导线、横担、金具、接地装置及基础等构成。 2.架空线路常用电气设备 跌落式熔断器、刀闸、避雷器等。,二、了解内容,87,关于避雷器要求 （1）在正常工作电压的情况下，等于开路。 （2）在出现异常的情况下，等于短路。 3.架空线路常见故障 （1）设备机械故障（2）设备电气性故障 电气性常见故障有单相接地、两相短路、三相短路 、缺相等。（三）电力电缆 1.电力电缆的优点,二、了解内容,88,（1）供电可靠；（2）不占地面和空间；（3）有利于人身安全；（4）节约材料，市容整齐美观，交通方便；（5）运行维护简单，节省线路维护费用。 2.电力电缆的种类及结构特点 （1）种类 电力电缆根据电压、用途、绝缘材料、线芯数和结构特点有五种分类。,二、了解内容,89,（2）结构特点 电力电缆的基本结构由线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。 3.电力电缆的名称及使用范围 电力电缆共有四种，敷设在室内、隧道内、管道中，有的能敷设在地下；有的能承受机械外力作用，有的则不能。（四）室内线路 1.室内线路 在室内对各种电器装置供电和控制的电气线路。,二、了解内容,90,2.敷设方式和要求 敷设方式分为瓷瓶、瓷珠、瓷夹板、木槽板、钢管、塑料板、铝片卡和塑料护套线等；对布线的要求就是安全适用、经济美观和便于检修。（五）照明及照明器具 1.照明电气照明利用各种电气光源照亮工作和生活场所或个别物体的措施。 照明方式可分为：一般照明、分区一般照明、局部照明和混合照明。,二、了解内容,91,2.发光方法 分为电阻发光、电弧发光、气体发光和荧光粉发光四类。 电阻发光的光源如白炽灯、碘钨灯；电弧发光，如碳精灯；气体发光如钠灯；荧光粉发光的如荧光灯。 3.照明术语 常用照明术语见教材第211页表5.4-2,二、了解内容,92,表5.4-2 常用照明术语,二、了解内容,93,一、知识结构,94,（一）自动控制的基本概念 1.自动控制 自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象工作状态的物理量，也就是系统的被控量，自动按指定规律变化。 2.负反馈控制 负反馈控制是将系统的输出信号引回输入端，与给定量相比较，利用所得的偏差信号产生控制作用调节被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。,二、了解内容,95,3.基本控制方式 控制系统的基本方式有开环控制、闭环控制与复合控制。 开环控制指输出量对系统控制作用不产生影响。闭环控制指输出量对系统控制作用产生直接影响，复合控制系统就是既有正反馈控制又有反馈联系的系统。,二、了解内容,96,（二）控制理论在工业生产中的应用 自动控制是现代工业生产中一种极其重要的技术手段，为达到质量和效益双提高、成本和污染双降低的目的，技术装备、机器设备和生产过程就必须按照预定的要求运行。要达到预定的目的，就必须应用控制理论。,二、了解内容,97,（一）现代控制理论 1.现代控制理论的研究对象 现代控制理论主要研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性与方法。 2.控制系统的状态空间描述 包括七个方面： 动力学系统；状态与状态向量；状态空间；状态方程； 输出方程；状态空间描述和状态空间方程的建立。,三、理解要点,98,3.状态空间方程的线性变化 对于一个给定的定常系统，在各状态变量之间，存在着一种向量的线性变换关系。 4.控制系统的能控性与能观性 能控性指的是外界输入u对系统状态变量x的支配能力。能观性指的是由系统的输出y识别状态变量x的能力。,三、理解要点,99,（二）控制系统的数学模型 1.微分方程 控制系统的微分方程是在时间域内描述系统性能的数学模型。具体形式见教材第213页。 2.传递函数 线性定常系统的传递函数是指在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，通常用表示。,三、理解要点,100,3.建立系统数学模型 （1）方框和结构图。方框又称方块，它把系统或系统中某环节用一个方框表示，方框的一端为输入信号，另一端是输出信号。 按系统中各变量的传递顺序，依次将方框图连接起来便得到系统的结构图。 （2）信号流图。信号流图是由节点和支路组成的信号传递网络。,三、理解要点,101,（ 一）对控制系统的基本要求 基本要求是稳、准、快。系统稳定是系统正常工作的必要条件；准是指要求系统稳态控制精度高；快则要求系统快速平稳地完成过渡过程。（二）线性系统的时域分析 1.稳定性 若系统受扰动偏离了平衡状态，当扰动消除后系统能够恢复到原来的平衡状态，则称系统稳定，反之称系统不稳定。,四、掌握重点,102,2.劳斯判据 应用劳斯判据时，必须借助系统的闭环特征方程式的系数编制一个表格，称为劳斯行列表。,四、掌握重点,设系统特征方程式为：,式中：a0、a1、a2，、an均为实数，且大于零。,103,四、掌握重点,编制出劳斯行列表为：,104,四、掌握重点,105,四、掌握重点,106,四、掌握重点,107,四、掌握重点,108,4.与稳定性相关的问题 系统的稳定性只与系统自身结构参数有关， 而与初始条件、外作用的幅值无关。,四、掌握重点,感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！,