电压电流法范文

电压电流法范文（精选11篇）

电压电流法 第1篇

随着电力电子设备等非线性负荷在电力系统中的广泛应用[1],无功功率对电网的影响也日趋严重。无功功率本身不消耗能量,但无功功率的变换将引起发电和输电设备上的电压降落和电能损失,影响系统电能质量,从而对发电、供电、配电3个方面都会产生不良影响。

快速、准确地检测无功电流是进行无功补偿的首要任务。1983年,赤木泰文首先提出了瞬时无功功率理论[2],该理论的提出极大地推动了无功电流检测的发展。目前主要有以下几种检测方法[3]:基于瞬时无功功率理论的检测法(包括p-q法、ip-iq法)、基于频域分析的FFT检测法、自适应无功电流检测法、基于小波分析的电流检测法和基于神经网络的电流检测法等。其中应用最多的是基于瞬时无功功率理论的ip-iq法。近年来在ip-iq法的基础上发展出了基于d-q变换的dq法[4]。在三相电压不对称系统中,传统dq检测法会出现锁相不准确的情况,影响了检测的精确性。dq法响应速度取决于低通滤波器的设计,但是滤波器参数设计复杂,其固有延时对检测的实时性有一定影响[5]。

针对三相电压不对称系统中,dq法检测精确性和实时性低的缺点,本文提出一种改进型dq法,该方法对基波正序电压分量进行锁相,作为三相电流进行d-q变换的参考信号。另外,基于电流平均值理论构建滤波环节以取代低通滤波器。理论分析和仿真结果表明,该方法不仅提高了无功电流检测的精确性,同时也提高了检测的实时性。

1 dq法的检测原理

dq法将三相静止坐标系下的变量变换到两相同步旋转坐标系下,它是在ip-iq法的基础上发展起来的[6]。经d-q变换后,三相坐标系中的基波正序分量为直流分量,而基波负序分量和谐波分量在dq坐标系下为交流,通过低通滤波器可以提取出直流分量。

基于d-q变换的谐波检测方法的原理框图如图1所示。

由图可知,dq检测法的步骤是:通过锁相环(PLL,Phase Lock-Loop)对a相电压瞬时信号进行锁相,经过正余弦信号发生器得到与ua同频率、同相位的正余弦同步旋转信号。将三相电流ia、ib、ic经d-q变换后得到有功分量id和无功分量iq。有功分量id和无功分量iq含有直流分量和交流分量,即:

经低通滤波器(LPF)将直流分量id'和iq'分离出来。再将id'和iq'经d-q反变换得到三相基波正序电流ia1+、ib1+、ic1+。用负荷端三相电流减去基波正序电流得到谐波分量和负序分量[7]。若要同时补偿谐波和无功电流,只需断开图1中计算q的通道即可,反变换得到基波有功正序分量。若只补偿无功分量,只需断开图1中计算d的通道,将iq'反变换。

2 dq检测方法误差分析

在三相电压不对称或畸变系统中,由于负序电压的存在,锁相不准确造成相位偏移等原因,在电网电压的相位与坐标变换的参考信号之间很可能存在一定的相位差。这一相位差会对基波正序分量中的有功电流和无功电流的检测带来影响,会影响其幅值和相位。具体原因是:三相不对称系统中,电压由正序分量和负序分量构成。期望的正余弦参考信号只是正序分量的相位信息,而通过过零检测得到的是正序分量与负序分量之和的相位信息,这一相位差将造成一定的检测误差。

若三相电流为:

假设d-q变换的参考信号和基波正序电压信号之间的相位差为Δθ。则此时的变换矩阵为:

此时的id和iq为:

由于三相电流中含有正序分量、负序分量和零序分量,对于三线制系统零序分量为零。则根据对称分量法有:

式中,In+、In-(n=1、2、3)分别表示各次电流的正序、负序分量;φn+、φn-表示各次电流的正序、负序初相角。

将三相电流变换到dq坐标系下为:

经滤波后的直流分量为:

本文重点研究无功电流的检测,因此只需将iq'反变换即可得到基波正序无功分量:

由式(8)可以看出相位差Δθ的存在影响到了基波无功电流的检测,进而影响到无功电流的补偿。为了消除三相不平衡以及锁相不准确对检测结果带来的影响,通常需要加以修正。

3 改进的dq法

3.1 改进的锁相环节

针对d-q变换参考信号与电压相位之间存在相位差而引起基波有功电流检测不准确的问题[8],本文提出了一种改进型的dq检测法,首先将三相电压变换到d-q坐标系下,采用与电流检测相同的dq法,得到其中的基波正序电压分量,对这个电压进行锁相,作为三相电流进行d-q变换的参考信号,这时已经消除了相位差带来的影响。原理框图如图2所示。

设三相电压为:

将a相电压过零检测,得到三相电压d-q变换的参考信号。将三相电压变换到d-q坐标系下得:

ud和uq经滤波后得到其中的直流分量ud'和uq',将ud'和uq'进行反变换即可得到三相基波正序电压:

通过锁相环可以得到a相基波正序电压的初相角φu1+,以sin(wt+φu1+)和cos(wt+φu1+)作为三相电流d-q变换的参考信号。经过相位修正后的电流变换矩阵为:

改进后的dq检测方法是在原有的方法之前增加了一个基波正序电压相位锁定环节,从而使d-q变换的参考信号与基波正序电压的相位信号同步,消除了在三相电压不平衡时由于相位差带来的对基波无功电流检测的影响。

3.2 改进的滤波环节

传统dq法采用低通滤波器滤除交流信号以获得id、iq的直流分量。但是低通滤波器固有的延时特性使系统跟踪时间较长,并且低通滤波器自身的实现也较为复杂,其性能的好坏严重影响检测的精度和速度。文献[9]提出的电流平均值检测法没有使用传统的低通滤波器,而是通过电流平均值理论得到与基波分量相对应的直流量。鉴于此,本文将该方法应用到dq法中,提出了一种改进了的无功电流提取法。改进方法的核心是用电流平均值原理提取出直流分量[10],该平均值模块框图如图3所示。

在三相负载电流对称时,经过变换,谐波次数均是6的倍数。因此对id、iq进行T/6的积分,得到的非零分量就是与基波分量对应的直流量,据此可得到负载电流的谐波分量。这即是电流平均值理论的基本原理。图3中的平均值模块框图包括积分、延时、减法和增益模块。其中T为电源周期。id、iq中除直流分量外,交流分量的周期为电源周期的1/6,交流分量在1/6个电源周期内的平均值为0。因此通过平均值算法可以得到id、iq的直流分量id'和iq',算法如下:

4 MATLAB仿真及分析

为了验证改进型dq法的优越性,采用MATLAB对改进型dq法进行建模仿真。仿真参数如下:

三相电源电压:

频率为50Hz,负载为三相二极管整流桥带阻感负载,电阻值为50Ω,电感值为1m H。仿真时间为0.08s,算法采用ode45算法。

如图4所示为三相电压波形,b相幅值明显小于其他两相。图5为三相电压不对称时的负载电流波形,电流的畸变率比较大。图6和图7分别为传统dq法和改进型dq法检测出的无功电流波形。对比图6和图7,可以看出,传统dq法由于采用了低通滤波器来滤波,使得检测出的无功电流波形有一定的延时,而改进型dq法所检测出的无功电流几乎无延时。其次,传统dq法具有较大的检测误差。

5 结束语

无功电流检测的准确性和实时性直接影响到无功补偿的效果,但是在三相电压不对称系统中,传统dq法无法满足这样的检测要求,检测出的无功电流不仅存在较大的检测误差,而且还有一定的延时。对此,本文提出了一种改进型的dq法,在MATLAB中搭建了仿真模型,理论分析和仿真结果表明,改进型dq法具有较高的检测精度,而且几乎没有检测延时,由此验证了改进型dq法检测的准确性和实时性。

摘要：无功电流检测是实现无功补偿的关键环节,在三相电压不对称系统中,传统dq检测法会出现锁相不准确的情况,低通滤波器的使用也会影响到检测的实时性。改进的dq检测法对基波正序电压分量进行锁相,并基于电流平均值理论构建滤波环节,通过对电流有功分量和无功分量的积分延时,得到各自的直流分量。最后,在MATLAB中搭建仿真模型,仿真结果表明该方法的准确性和实时性。

关键词：电压不对称,无功电流检测,电流平均值理论,d-q变换

参考文献

[1]张惠娟,王自勇,杨艳华.基于电流平均值的改进无功检测法[J].电测与仪表,2014(6):60-63.

[2]Redondo R C,Melchor N R,Redondo M,et al.Instantaneous active and reactive powers in electrical network theory:A review of some properties[J].International Journal of Electrical Power&Energy Systems,2013,53:548-552.

[3]平阳乐.基于三电平变换器的并联型有源电力滤波器研究[D].济南:山东大学,2013.

[4]马莉,周景海.一种基于dq变换的改进型谐波检测方案的研究[J].中国电机工程学报,2000,20(10):55-58.

[5]Juan Z,Ziji W,Xiao F.Study on the improved harmonic detection algorithm based on FBD theory[C]∥Power and Energy Engineering Conference(APPEEC),2011 Asia-Pacific.IEEE,2011:1-4.

[6]关彬,崔玉龙,王圆月.基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法研究[J].电测与仪表,2007(10):1-4.

[7]CAO J,ZHANG M,SUN H,et al.Harmonic Detection Strategy Based on Fundamental Wave Tracing in Electric Traction System[J].China Railway Science,2008(5):17.

[8]周传泽,吴汉熙.低压电网电能质量检测与无功补偿系统的设计[J].信息技术,2015(5):202-205.

[9]周林,孟婧,刘强,等.基于电流平均值法的任意次谐波电流检测[J].电力电子技术,2008(7):21-23.

电压源电流源教案 第2篇

教师：程玉景

教学目地：（1）认识电压源模型和电流源模型

（2）掌握电压源和电流源的特点及符号

（3）掌握理想电压源和电流源的特点及符号

教学重点：（1）主要是其特点及符号 教学难点：

（1）对电流源的理解 教学方法：

举例，提问，讲授 教学时间：

45分钟

教学过程：

复习导入：

电压源电气符号

电流源电气符号

电源外特性：Ｕ＝Ｅ－Ｉｒ

并联分流公式: I1=(R2/R1+R2)I 新授：

导入： 向电路提供电压或电流的装置称为独立电源

举例: 稳压电源，稳压电源由稳压电源，发电机，太阳能电池

一.电压源

1.用途：

向外电路输出稳定电压。例：干电池（1.5V）

发电机（220V）

特点：

内阻较低

分类：

直流，交流

例：干电池，直流发电机，蓄电池 2.实际电压源

电气符号

特点：（1）电动势E和内阻ｒ串联,注意电压正负极性

（2）输出形式：电压U=Ｅ－Ｉｒ

3.理想电压源（恒压源）

电气符号：

特点：(1)r=0

(2)U=E

二．电流源

１.用途： 提供稳定的电流。例如：稳流电源 特点：

内阻很大

２.实际电流源

电气符号：

特点：（1）I S 和ｒ并联，注意电流方向

（2）输出形式：电流IL=(r/RL+r)I

3.理想电流源（恒流源）

电气符号：

特点：（1）ｒ趋于无穷大

（2）Is=IL

三．小结：

（1）实际电压源和电流源符号及其特点

（２）理想电压源和理想电流源符号及其特点

四．作业：

（１）笔试：整理笔记，将重点记忆。下一节提问

（２）口头：预习实际电压源和实际电流源的等效变换

五．板书设计：

主板书设计

副板书设计

电压源与电流源

一电压源

二电流源

复习：１.电压源与电流源符号 １.用途

１.用途

２.电源外特性： ２..实际电流源

２.实际电流源

３.并联分流公式:

第4讲 电流、电压、电阻专题复习 第3篇

常考的知识点有：电流方向的确定，连实物图和设计电路，电路的三种状态（尤其是短路），识别电路的两种连接方式及串联、并联电路的电流和电压特点等知识.

第1节 电路图

[重点考点]

电路图是每年中招必考的内容，它包括三种题：已知电路图连接实物、由实物连接画电路图和根据要求设计电路.解决这三种题的要点都是“会读电路（或实物连接）图”.怎么读电路图呢？我们可以从电源的正极出发，沿电流方向读出每条支路上的元件（包括电流的分支点和汇合点），最后回到电源的负极.在读电路图时，电流表可以看成是“导线”，电压表可以看成“断路”，也可先把电压表去掉，弄明白电路的连接方式，并把电路连接完成后，最后把电压表并联到所测电路的两端.

[中考常见题型]

例1 根据图1中的图甲连实物图乙.

思路分析：先读电路图：电流由正极出发，经过开关和滑动变阻器后分两支，一支路通过电流表A、电灯L1回到负极，另一支经过电灯L2回到负极.这样边读边连即可完成解题.答案如图2.

点评：在连接电路实物时，一定要注意分支点，本题中电流流过滑动变阻器后分两支，也就是说滑动变阻器在干路上.导线ba的a端接电流表的c端（“3”接线柱）更好.另外还要注意滑动变阻器的连接方法（一般为“一上一下”，当滑片位于一端时，要把最大阻值接入电路）和电表正负接线柱的接法.根据电路图连接实物和由实物连接画出电路图的解题要点是相同的.又如图3所示，你能读出电路的连接情况并画出电路图吗？（A图电流由正极出发，过开关以后分两支，一支经电流表和电灯乙回负极，另一支经电灯甲回负极；B图电流从正极出发，经过开关和电流表后分两支，一支经电灯乙回负极，另一支经电灯甲回负极.A图的电流表在支路上，测的是通过乙灯的电流，B图中电流表在干路上测的是两灯并联后的总电流.电路图略）

由于实物图的接线太多，不宜评卷，近几年中招题中，多把实物图的连接只留一两条接线让你完成.如2007年湖北黄冈卷，就是采用这种方式考查电路的连线.

例2 （2007年黄冈）在用电流表、电压表测小灯泡功率的实验时，灯泡上标有“3.4V”字样.小红设计了实验电路图，如图4甲所示，并连接了部分实物电路，如图4乙所示.请帮助小红完成实物电路的连接.

思路分析：本题解题的方法同前面所讲的一样，把电压表去掉，首先完成主电路的连接，即根据电路图首先把电源、开关、电流表、滑动变阻器和小灯泡串联起来，然后再把电压表并到小灯泡的两端.在连接的过程中要注意滑动变阻器的对应关系（如要求滑片向右移动时，电阻变大）和电压表的量程（0～15 V）.如图5所示.

例3 刘刚同学在物理实践活动中，准备设计一种测定油箱内油面高度的装置．所用器材和电路元件如图6所示，R是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，R′是定值电阻，油量表由电压表改装而成．要求：油面浮标上升时，油量表的示数变大；反之，油量表的示数变小．请你帮助刘刚同学将定值电阻R′和油量表连入电路合适的位置．

思路分析：根据题目要求即油量表是电压表，且浮标上升时，滑动变阻器接入电路的阻值变小，油量表的示数要变大，所以，电阻R′应和滑动变阻器串联（若二者并联，油量表将测量电源的电压，示数不会变化），根据串联电路中电压的分配和电阻成正比的特点，油量表只能并在电阻R′两端.答案如图7所示.

第2节 电流的方向

[重点考点]

电荷的定向移动形成电流，这里所指的电荷，可能是正电荷，也可能是负电荷，也可以是正、负电荷同时移动.如金属导电靠的是负电荷（自由电子）的定向移动，酸、碱、盐的水溶液导电，靠的是正、负离子的同时移动等.不管是什么电荷形成的电流，物理学中规定正电荷定向移动的方向为电流的方向.所以，在金属导体中，电流的方向和自由电子移动的方向相反.

[中考常见题型]

例4 电视机显像管尾部的热灯丝发射出来的电子高速撞击到荧光屏上，使荧光屏发光，则在显像管内的电流方向是_____.

思路分析：因为显像管内的电流是热灯丝发射出来的电子定向移动形成的，电子定向移动的方向是从热灯丝到荧光屏，所以电流的方向是从荧光屏到显像管.

点评：关于电流的方向，中招常从两个方面考查：一是从电荷的移动方向上，如上题；二是从电路上，在电源的外部，电流的方向是从电源的正极出发，经用电器回到电源的负极，在电源内部，电流是从电源的负极流向正极.如图8所示，闭合开关后，电灯中电流的方向是从B流向A.

第3节 电路的三种状态

[重点考点]

电路有三种状态：通路、断路和短路.在这三种状态中，中招考查短路知识点的题较多.短路有两种情况：电源短路和用电器短路.电源短路是指有一根导线直接从电源的正极连接到负极，这样电路中电流很大，容易烧坏电源和电路；用电器短路是指某一用电器的两个接线柱间有一根导线相连，使该用电器不能工作.

[中考常见题型]

例5 （2006年河北课改区）如图9所示，电源电压一定，关于电路的工作情况，下列说法正确的是（）.

A. 只闭合S1时，两只灯泡是串联的

B. 若先闭合S1，再闭合S2，电压表读数不变，电流表读数变大

C. 若电压表和电流表位置对调，闭合S1、S2后，则两表都被烧坏

D. 若灯L1被短路，闭合S1、S2后，则灯L1不亮，电流表损坏

思路分析：只闭合S1时，电流从正极出发，经开关S1、电流表、灯L1后回到负极，这时，电路中只有一个灯泡发光，所以选项A错误.

先闭合S1时，电压表测的是灯L1两端的电压，也是电源电压，电流表测的是通过灯L1的电流.再闭合S2，两电灯并联，电压表测的依然是灯L1两端的电压，也是电源电压，电流表测的是两灯并联后的总电流，所以，电压表的示数不变，电流表的示数变大.选项B正确.

若两表位置对调，由于电压表的电阻很大，在电路中相当于“断路”，电路中几乎没有电流通过，所以，电流表不会被烧坏，电压表显示的依然是电源电压，两表都不会被烧坏.选项C错误.

开关都闭合后，电路中只有两个支路，当灯L1支路被短路（可以把灯L1看成导线）时，跟它并联的L2支路也被短路，两灯都不亮，电流表容易被烧坏.电压表也被短路，其示数为零，不会被烧坏.所以选项D错误.选B.

点评：这是一个结合实物电路的连接来分析电路的三种状态的综合题，此实物图的分析难度大，可以先画出它的电路图，如图10所示，再进行分析，这样就更方便快捷些.一定要明确，从电路的分支点到电路的汇合点，若有一条路是导线，那么跟该支路并联的所有支路都被短路，电流全部从这条导线支路通过.另外，在分析电路的连接情况时，可以先把电压表看成“断路”，电流表看成“导线”，电路的连接情况清楚后，再确定两表所测的对象.在设计电路时，绝对不允许电源被短路.如图11所示，你能分析当开关都断开时和开关都闭合时电路的连接情况吗？（开关都断开时，电阻R1和R3是串联的，电流表测电路中的电流，电压表测电阻R3两端的电压；当开关都闭合时，电阻R3被短路，电压表也被短路，电阻R1和R2并联，电流表测干路上的总电流）

第4节 串、并联电路的特点和识别

[重点考点]

串联电路的特点是：电流只有一个回路，一个用电器停止工作，其他的用电器都不能工作.并联电路的特点是：电流有两个以上的回路，一个用电器是否工作，不影响其他的用电器.中考常用两种方式切入考查此知识点，一是从实际生活中表现出来的电现象上考查，如红绿灯电路是怎样连接的，根据红、黄、绿三灯都可以单独工作这种常见现象，可判断它们是并联的；节日小彩灯的连接方式，题目中交待，当一个灯泡坏了，其他的灯泡都不能工作，根据这一现象，判断小彩灯的连接方式是串联的.二是根据电路图进行判断.若电流从正极流到负极的过程中有分支，则电路是并联的，若没有分支，电路是串联的.

[中考常见题型]

例6 （2007年福州）抽油烟机装有照明灯和排气扇.使用中，有时需要它们单独工作，有时需要它们同时工作.下图所示的四个电路中，你认为符合上述要求的是（）.

思路分析：根据题目要求，两用电器能单独工作，可以判断它们一定是并联的，而且开关应在各自的支路上.选A.

点评：判断电路的串联和并联的题型有两种：一是判断实际电路的串、并联，这时需判断用电器能否单独工作，能单独工作的各用电器间是并联的，否则不是；二是判断电路图的串、并联关系时，看电流从正极流到负极过程中有没有分支，若有，分支的几条支路间的用电器就是并联的.

第5节 电流表和电压表在电路中的连接

[重点考点]

电流表必须跟被测电路串联，电压表必须跟被测电路并联.中考常以填“○”中电表类型的形式考查这个知识点.而且，判断电流表测的是通过哪个用电器的电流，电压表测的是哪部分电路两端的电压，也常常出现在命题中.

[中考常见题型]

例7 （2007年兰州）如图12所示电路中，甲、乙两处分别接入电流表或电压表.当开关闭合后，为使两灯均能发光，则（）.

A． 甲接电流表，乙接电压表

B． 甲、乙均接电流表

C． 甲、乙均接电压表

D． 甲接电压表，乙接电流表

思路分析：因为要求两灯均能发光，所以，甲表一定要通过电流，应是电流表，乙表一定不能通过电流，故乙表就应是电压表.选A.

点评：因为电流表相当于导线，可以通过电流，电压表在电路中相当于断路，可以认为不能通过电流，因此，在填电表时，需要通过电流的地方应填上电流表，不需要通过电流的地方应填上电压表.怎么样，试试吧？如图13所示，试在甲、乙两个“○”内填上电压表或电流表的符号，使两灯组成并联电路．（参考答案：甲表是电流表，乙表是电压表）

第6节 电压表测的是哪部分电路两端的电压

[重点考点]

电压表跟哪部分电路并联，就测哪部分电路两端的电压.那么，如何判断电压表并联在哪部分电路两端呢？请同学们通过下面的例题仔细体会.

[中考常见题型]

例8 如图14所示，开关闭合后电压表所测的是灯_____两端的电压.

思路分析：电压表在电路中要与所测的电路并联.电压表一端接a点，一端接b点，由于导线上的电压可以忽略不计，因此我们可以把电压表的左接线柱沿导线由a点移至c点，把右接线柱由b点移至d点，改画成如图15所示的电路，可以清楚地看到，电压表测的是电灯L2两端的电压.填“L2”.

点评：很容易错误地认为电压表测的是电灯L1和电源两端的电压.应该注意：电压表是用来测电路两端电压的，一是测用电器两端的电压，二是测电源两端的电压.所以，电压表，要么跟用电器并联，测用电器两端的电压；要么跟电源并联，测电源两端的电压，不能认为电压表跟电源和用电器并联.

判断电压表测哪部分电路两端的电压时，可用“移点法”，原则是电压表在电路中的接点只能在导线（或开关、电流表）上移动，不能过用电器.移动后就可以清楚地看到电压表测哪个用电器的电压了.

第7节 电阻的属性

[重点考点]

电阻是导体本身的一种性质，它的大小由导体本身的材料、长度和横截面积决定，与是否通过电流和两端是否有电压无关，但自身温度的变化会对电阻产生影响.多数金属导体的电阻随温度的升高而增大，例如白炽灯的电阻；也有少数导体的电阻随温度的升高而减小，例如石墨的电阻.电阻的大小可用公式R=U/I来测量或计算.在相同的电压下，也可用通过电流的大小来比较电阻的大小.

[中考常见题型]

例9 把甲、乙两段电阻线接在相同的电压下，通过甲电阻线的电流大于通过乙电阻线的电流，忽略温度的影响，下列判断中错误的是（ ）.

A． 当它们材料、粗细都相同时，甲线长乙线短

B． 当它们材料、长度都相同时，甲线粗乙线细

C． 当它们长度、粗细都相同时，两线的材料一定不同

D． 甲、乙两电阻线的材料、长短、粗细不可能完全相同

电压电流法 第4篇

我们约定过:元件上电压的参考极性 (从+到-) 和电流参考方向;如果,

U>0, 表明元件上电压参考极性和实际相符, 如果, U<0, 表明该元件上电压参考极性和实际不相符;电流亦如此, 如果, Ⅰ>0, 表明该元件上电流参考方向和实际方向一致;如果, Ⅰ<0, 表明该元件上电流参考方向和实际方向不一致。

在KVL (基尔霍夫电压定律) 描述中, 对于集中参数电路, 任一时刻、任一回路, 各元件上电压代数和恒为零, 称为回路电压方程, 在写该方程时, 首先设定绕行方向, 凡元件上电压的参考方向 (从+到-) 与绕行方向一致的, 则该电压前取“+”反之取“-”。如图1所示:

回路绕行方向是任意选定的, 有两个选择: (1) 是顺时针、 (2) 是逆时针。当顺时针时:+U1+U2-U3+U4-U5=0, 这样, 很容易把正确电压方程写出来了。一经设定了绕行方向和各元件上电压的参考极性, 则各元件上电压Ui前的“+”“-”也随之确定, 只要将电压参考极性和绕行方向进行比较;方向相同取“+”, 方向相反取“-”便得到了, 任意选定的参考极性和绕行方向, 毫不影响分析结果。

简单的欧姆定律也是:关联方向 (电压、电流参考方向相同) U=+ⅠR, 取“+”;非关联方向 (电压、电流参考方向相反) U=-ⅠR, 取“-”。

而在之前的网孔电流法中:

是原有的规范方程, ⅠI是网孔Ⅰ的电流;ⅠⅡ是网孔Ⅱ的电流;ⅠⅢ是网孔Ⅲ的电流。而R12, R21, R23, R32, R13, R31称互阻, 可正、可负;它们的“+”“-”由相邻两个网孔绕行方向相比较而得:方向相同取“+”方向相反取“-”。R11, R22, R33称自阻:总是正, 这不难确定。Us11, Us22, Us33是三个网孔上所有电压源之和, 也是可正、可负, 它们的“+”“-”由网孔的绕行方向与网孔上电压源的参考方向比较而得, 方向相同取“-”方向相反取“+”, 不难看出, 这就给学生带来了很大的难度, 一不容易记忆、二不容易应用、三容易出错。例如:

带入规范方程有:3ⅠⅠ-ⅠⅡ-ⅠⅢ=3

解方程组自然得出结果。

现在我们把前面网孔电流法的规范方程改成:

带入改良后的规范方程有:

解方程组自然得出相同结果, 这就可把互阻前的“+”“-”和Us11, Us22, Us33前的“+”“-”的确定, 统一到一句话上来:方向相同取“+”方向相反取“-”。贯穿到全部电路分析中。

学生和初学者又好记忆, 不会弄得他们晕头转向, 应用起来也不会出错。与前面欧姆定律的“+”“-”规定一致了;与KVL (回路电压方程) 中, 绕行方向和参考电压方向比较的规定一致了;也与后面的叠加定理求总支路电流时, 分支路电流前的“+”“-”规定一致。对各种电路 (通过实践) 均实用、且正确。并统一规定方向相同取“+”方向相反取“-”。就把各个版本电路书中, 均把网孔电流法、KVL、欧姆定律U=IR、叠加定理中, 电压量、电流量前的“+”“-”规定不相同的混乱状况: (一会儿方向相同取“+”, 一会儿方向相反也取“+”, ) 解决了、统一了, 大中专学生和初学者难以应用和常常出错的现象得以改进。

而在节点电压法中, 自导总是“+”的, 互导总是“-”的, 规范方程:

Is11、Is22、Is33分别是1、2、3个节点流进、流出的所有电流源 (如是电压源可等效变化为电流源) 的总和, 其“+”“-”的确定, 一般来说不存在困难, 很简单。只针对电流, 进入节点是“+”、流出节点是“-”合符人们记忆习惯, 不难掌握。

摘要：KVL、网孔电流法等方程中, 电压、电流参量前的“+”、“-”的确定, 由绕行方向和参考方向比较而得到, 方向相同为“+”, 方向相反为“-”, 统一了规范方程中参量前正负的确定法, 便于学生记忆和应用。

例析电压源与电流源等效变换 第5篇

关键词： 电压源 电流源 等效变换 基尔霍夫定律

1.引言

电源在电路中的作用都是提供能量的，对于负载而言，电源是提供电压或者电流的。电压源和电流源是两种常见的电源，电压源为外电路提供稳定的电压，电流源为外电路提供恒定的电流。理想的电压源对外电路提供恒定不变的电压，其内电阻作为零处理；理想的电流源对外电路提供恒定不变的电流，其内阻认为无穷大。实际电源都是包含内阻的，在电路分析中，二者可以等效变换，使电路分析更为简单方便。等效变换的前提是二者的内阻要相等。但使用等效变换时，要正确合理地使用，否则得到的分析结果是错误的。电路中常说的等效变换只针对外电路，这里所说的外电路是指除去电源以外的电路，不包含电源本身。

2.案例

以图1为例说明如何正确使用电源之间的等效变换。在该例中，如果要求出流经6Ω电阻的电流，应用基尔霍夫电压定律可以求出，如果应用电流源和电压源之间的等效变换也可以求得，不妨该题应用电流源与电压源等效变换的方法来求。

方法一：将40V电压源变换成电流源，再将电流源变换成电压源，得到如图2所示电路：

根据基尔霍夫电压定律求得I==-1.5A。

方法二：将右边的两个电压源都变换为电流源，得到如图3所示电路，应用基尔霍夫电压定求解，I=（2+4+3）/2=4.5A。

3.结语

从以上两种解法来看，电压源与电流源直接的等效变换都没有问题，得到的答案为什么不同呢？究竟哪里出错了，再来看看电流源与电压源等效变换的定义，在利用电压源与电流源等效变换进行电路分析的时候，等效只适用于外部等效，电源内部参数是不可以等效的。也就是说，在等效变换前后，电源内部参数发生了变化。在本例中，求的是流经6Ω电阻的电流，而在方法二中，将6Ω的电阻与4Ω电阻合并作为电源的内阻，是电源的内部参数，在等效变换前后，内部参数发生了变化，所以两次求得的值不相等。此例告诉我们，在利用电源等效变换分析电路的过程中，待求参数不能是电源内部参数，否则所求结果是错误的。利用电压源和电流源之间的等效变换虽然可以简化运算，有助于电路分析，但是要正确使用，否则会使计算结果出现错误。

参考文献：

[1]邱关源，罗先觉.电路[M].高等教育出版社，2015（1）.

[2]向国菊，孙鲁阳等.电路典型题解[M].清华大学出版社，2014（6）.

嵌入式程控电流电压源设备开发 第6篇

目前自动化系统的调试还基于实际设备的实际连接, 做不到仿真, 特别是传感器变送器比较多而且分散的情况就更加困难, 往往需要很多人配合才能完成, 因此, 基于现状, 特别需要能全量程模拟传感器特性的仿真替代品。国外用于自动化系统的调试是用大型的仿真设备, 比较昂贵, 所以研究设计一款便携式程控电流电压源很有必要。

1 产品优势

1.1同传统的电流源相比, 虽然都能输出所需要的电流值, 但传统电流源的电流值对应传感器过程值 (对应物理量的量值) 是通过人工计算得到的, 而我们的智能型电流电压源可以直接得到对应值, 无需计算, 而且完全能满足精度要求, 特别是需要不断变化数值的场合下显示出极大的优越感。

1.2同传统的电压源相比, 虽然都能输出电压值, 但传统的电压源对电压的输出调整很不方便, 对应的传感器的过程值也需要计算才能得到。而且体积大, 不便于携带。而我们的智能型电流电压源不但可以全量程的的电压输出, 而且全数字调节, 一步到位, 非常方便。

1.3该程控电流电压源是集电流源、电压源、传感器 (变送器) 于一身的多功能的专业设备。

2 便携式程控电流电压源应用场合

该产品广泛适用于自动化生产领域及自动控制、自动监测领域。完全模拟具有标准信号输出 (4 MA~20MA) 的各种变送器的特性。主要应用对象是自动化设备的维修人员、自动化设备的设计人员、自动化设备的调试人员以及自动控制系统及自动测量系统的系统调试仿真。服务范围非常广, 有石油、化工、天然气生产的自动化, 电力系统的自动监测, 煤矿、冶金的自动化生产和管理, 环保领域的自动监测, 市政供水、供热系统等自动监测。

3 硬件电路及软件设计

3.1 各功能模块

3.1.1微控制器模块:采用STC5410AD单片机为核心, 接受键盘按键信息, 根据其数值的设定, 控制模转换模块产生相应的电流或电压输出, 并在液晶显示屏上显示出来。

3.1.2 直流稳压电源模块:将交流220V电压变换成直流12V电压, 并向系统各部分供电。

3.1.3 后备电源 (电池) :在没有交流电的情况下, 可以用电池供电使用, 便于携带。

3.1.4 液晶显示模块:采用128×64点阵液晶块, 显示屏幕大, 字体清晰。

3.1.5 数模转换模块:采用12位的串行数模转换器, 转换精度高, 接口简单。

3.1.6 模数转换模块:及时测量负载电流电压的大小, 并能完成过载保护。

3.1.7 键盘模块:标准的4×4键盘, 能直接输入0~9数字, 以及各种功能键, 使用特别方便。

3.1.8 电流输出、电压输出:能按屏幕上显示的数据直接输出电流和电压, 供给外部设备使用。

3.2 软件采用C语言编程, 用C语言来编写

目标系统软件, 会大大缩短开发周期, 且明显地增加软件的可读性, 便于改进和扩充, 从而研制出规模更大、性能更完备的系统。

4 主要性能指标

4.1 标准电流源:

产生0MA~200m A任意恒流值, 误差不超过±1m A, 要求负载电阻不大于500欧姆。

4.2 标准电压源:

产生0V~8V任意电压值, 误差不超过±1m V, 要求负载电流不大于500m A。

4.3 模拟变送器:

可以模拟压力、差压、流量、液位、温度、电压、电流等常用物理量的变送, 以标准的电流 (4m A~20m A) 或电压 (1V~5V) 输出。

4.4 使用交流电源:交流180V~220V输入, 内有稳压电源, 给系统供电及给电池浮充电。

4.5 直流备用电源:

本仪器内部嵌入6节5#充电电池, 在充满电的情况下, 可连续正常供电3小时左右。特别注意, 切记不要把碱性等一次性非充电电池放入机器内使用, 以免发生意外。

5 结论

本次设计的便携式程控电流电压源适用于电子、电气、自动化、科研及教学等诸多领域。它采用单片机控制芯片为核心, 高精度数模转换器及液晶显示器, 4×4薄膜键盘, 便携式塑料机壳, 备有充电电池, 便于携带, 使用非常方便, 是从事与电类有关行业必备的、理想的辅助设备。

摘要：该程控电流源电压源设备是将传统的独立的电流源、电压源、传感器 (变送器) 的功能集中“技术整合”在一起, 这样就大大提高产品的兼容性和性价比, 并且将独立的产品的性能在原来的基础上提高了很多。本产品广泛适用于自动化生产领域及自动控制、自动监测领域。完全模拟具有标准信号输出 (4MA～20MA) 的各种变送器的特性。

电压电流法 第7篇

此类题目的特点往往是:题目给出电路图, 电路中一般含有一个或两个电阻 (或灯泡) , 滑动变阻器一个, 电压表、电流表若干。当滑动变阻器滑片移动时, 让学生去判断电流表、电压表的示数如何改变。

根据电路元器件连接方式, 把此类问题归为简单电路和复合电路两类进行分析。

一、简单电路 (用电器与滑动变阻器纯串联或纯并联)

1. 纯串联

如图, 当滑动变阻器滑片向左滑动时, 各表示数如何变化?

[分析]:在此题中, 电阻、滑动变阻器三者串联, I=I1=I2, R=R1+R2。。当滑片向左移动时, R2变大, R1不变, ∴R变大, 根据欧姆定律电源电压U不变, ∴I应减小, ∴I1、I2均减小, 再根据欧姆定律U1=I1R1可知U1减小, 最后根据U=U1+U2知道U2增大。

[结果]:安培表示数减小, 伏特表1示数减小, 伏特表2示数增大。

2. 纯并联

如图, 当滑动变阻器滑片向左滑动时, 各表示数如何变化?

[分析]:由于电阻和滑动变阻器并联, 故U=U1=U2, 伏特表示数为电源电压保持不变, 当滑片向左移动时, R2变大, R1不变, 根据则R变大, 根据欧姆定律知I应减小。而R1电阻、电压均不变, 故I1不变。再根据I=I1+I2知I2应减小。

[结果]:安培表示数减小, 伏特表示数不变, 安培表1示数不变, 安培表2示数减小。

二、复合电路 (滑动变阻器与用电器串并联混联)

1. 滑动变阻器在干路中, 两电阻并联

如图, 当滑动变阻器滑片向左滑动时, 各表示数如何变化?

[分析]:此种情况由于R1、R2电阻都不变, 可将两电阻并视为一个电阻, 它们两端的电压相同, 故它们电流变化方向是相同的。这样此题思路就同纯串联电路一样。

[结果]:安培表示数减小, 伏特表1示数减小, 伏特表2示数增大, 安培表1示数减小, 安培表2示数减小。

2. 滑动变阻器在支路中

如图, 当滑动变阻器滑片向左滑动时, 各表示数如何变化?

[分析]:此种情况较为复杂。由于R1、R2并联, 所以它们两端电压相等为U1, 且U=U1+U3, I=I1+I2。当滑片向左移动时, R2变大, 导致电路总电阻R增大, 根据欧姆定律电源电压U不变, ∴I应减小, 对于R3, 再根据欧姆定律U3=IR3可知U3减小, 再根据U=U1+U3知道U1增大, 从而得到I1增大, 最后根据I=I1+I2知道I2减小。

[结果]:安培表示数减小, 伏特表1示数增大, 伏特表3示数减小, 安培表1示数增大, 安培表2示数减小。

电压电流法 第8篇

电压互感器俗称PT, 是根据互感原理制成的一种变换电压的设备, 一次线圈并于被测系统的电路之中, 一次电压为电网运行电压, 不受互感器二次负荷的影响, 互感器相当于一个负边开路的变压器, 当在一次绕组上施加一个电压U1时, 在铁心中就产生一个磁通φ, 根据电磁感应定律, 则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数, 可以产生不同的一次电压与二次电压比, 这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器的作用是对一次电压进行变换, 提供仪表或继电器的所需电压, 没有它我们的计量就无法进行, 一些与电压有关的保护也不能正常运行。35k V变电站可只在10k V母线上安装PT, 下面以三相五柱式PT为例说明PT电压的指示。

三相五柱式PT在6-10k V电压级中使用最广泛, 它有五个铁心柱, 两个边柱为零序磁通的通路。它有两组副线圈, 基本副线圈连接成星形, 供测量仪表和保护继电器用, 辅助副线圈接成开口三角形, 供接地保护用。

接于电压互感器二次侧的电压表反映系统的电压情况, 正常时三相电压平衡, 为100V。当系统发生单相接地故障、母线PT熔断器熔断时电压随即发生变化。就以上几种故障时电压的变化情况进行一下说明。

2 单相接地故障

2.1 单相接地故障的危害及电压上升的原因:

小电流接地系统最常见的事故就是单相接地故障。系统发生单相接地故障时, 由于非故障相对地电压升高 (全接地时升至线电压值) , 系统中的绝缘薄弱点可能击穿, 造成短路故障。故障点产生电弧, 会烧坏设备并可能发展成相间短路故障;故障点产生间歇性电弧时, 在一定条件下, 产生串联谐振过电压, 其值可达相电压的2.5~3倍, 对系统绝缘危害很大, 运行人员要及时的处理, 防止事故扩大。发生单相接地故障时, 变电站绝缘监察装置的警铃会立即响起, 且“XX母线接地”光字牌亮。此时电压表的指数随之发生变化:在金属性接地时, 故障相相电压降低为零, 另两相电压上升为线电压, 但线电压不大会发生变化。下面以C相接地来说明一下相电压及线电压的变化 (UA1, UB1、UC1为接地后相电压) 。

当C相接地时, 三相的电源电压仍保持不变, C相接地后对地电压变为零 (即UC1=0) , 中性点对地电压变为相电压, 且与接地相相电压相位相反 (即UN=-UC) 。非故障相A相和B相的对地电压分别为:UA1, UB1

UB1=UB+UN=UB-UC其向量关系如下图。

UA1和UB1升高到相电压的1.732倍, 即等于线电压。这时A、B两相之间的电压仍为线电压, 即三个线电压大小和相位没变, 仍可继续运行一段时间。同时相对地电压升高了1.732倍, 但对电力系统以及各种电气设备无多大危险, 因为这种系统的各种电气设备的绝缘是按线电压设计的, 但不允许长时间持续运行。根据河北电网规定, 线路带接地运行不得超过1小时, 若一相接地运行时间过长, 有酿成两相短路的可能, 造成跳闸, 扩大了事故, 所以要及时查找和消除故障。

2.2 单相接地故障的处理方法:

在中性点不接地系统中发生单相接地时, 在同一电压等级的变电站母线上, 都将出现零序电压。绝缘监察装置的报警只能反映有接地异常发生, 并不能反映接地的设备, 需要调度员进行查找。

保定地区县公司所辖电网以农网为主, 单相接地现象多发生在线路, 且多在恶劣天气时发生。查找时可按查找接地的原则进行分别拉路寻找。对于双母线或有母联的母线, 应分割电网先拉开母联开关或母线分段开关, 缩小查找范围, 然后再依次断开10k V线路开关, 如断开某路开关接地信号消失, 绝缘监察电压指示恢复正常, 即表明所停线路有接地, 可安排消除。若采用出线全部断开进行查找, 就是切除所有出线的对地电容电流, 这样会造成电容电流的大幅度降低, 致使残余电流过大, 消弧线圈失去作用, 从而在接地点产生间歇性弧光放电, 产生过电压, 威胁设备绝缘, 切不可采用。

3 母线PT熔断器熔断

3.1 PT熔断器熔断的危害及事故现象:

变电站经常出现电压互感器熔断器熔断的现象, 这不仅影响了电能表的准确计量, 还容易造成保护装置和电网安全自动装置的误动作, 影响电网安全、稳定运行。

母线PT熔断器熔断分高压熔断器熔断和低压熔断器熔断两种情况。低压熔断器熔断时, 正常相二次电压不变, 熔断相有很小的电压。实际运行中电压互感器二次有负载, 二次电压可通过连接的电压表或电能表以及继电器的线电压线圈构成回路, 所以熔断相有很小的电压, 电压表可能有一很小指示值, 各电压表计的指示与二次回路中连接的负载有关。两正常相间线电压不变, 与熔断相有关的线电压降低。小于正常相间的线电压值。处理时更换同等容量的保险即可。事故现象简单, 很容易进行准确判断, 在这里就不作为重点进行讨论了。

高压熔断器熔断:因电压互感器一次侧的磁路是互通的, 熔断相二次侧仍能感应出一定的电压, 但该电压大大降低, 其他两相电压也相应略有降低, 与熔断相有关的线电压降低。由于电压互感器辅助线圈感应出不平衡电压 (与接地时感应到的不平衡电压相同) , 所以发生高压熔断器熔断时会发出接地报警信号, 此时调控员不要盲目的进行接地线路的查找, 先根据保护动作及系统电压情况判断事故性质。

单相接地和电压互感器一次熔断器熔断都会发出接地信号, 但单相接地时 (设金属性接地) 故障相电压降为0, 非故障相电压升高为相电压的1.732倍。母线PT高压熔断器熔断时, 此时熔断相电压为0, 根据电压互感器的工作原理, 熔断相的二次就不能感应出电压, 故二次电压亦为0。由于其余高压熔断器未熔断, 它们感应出的二次电压是正常的, 此时电压互感器辅助副线圈中三相电压不平衡, 出现零序电压, 绝缘监察装置动作, 发出接地的报警信号。为了准确判断接地报警是否正确, 运行人员根据事故现象进行综合判断。判断时首先查看电压互感器的各相电压指示情况, 用电压切换开关切换, 仔细查看三相电压及线电压的变化, 当一次侧保险熔断时, 熔断相的电压为接近于零, 其他两相正常, 根据以上这些事故现象, 即可判断为电压互感器高压熔断器熔断。

3.2 PT熔断器熔断的处理。

当电压互感器 (PT) 高压熔断器熔断时, 首先应将故障电压互感器与系统断开。在拉开电压互感器刀闸之前先将二次负荷进行切换。切换时需注意, 对于分段母线, 应先合上分段开关后再将二次负荷转嫁后一次开关为并列, 电压互感器二次不能并列。拉开电压互感器 (PT) 的隔离开关, 详细检查其外部有无故障现象, 同时检查保险。若无故障征象, 更换同规格、容量的保险后再投入。切不可擅自加大保险容量。如果电压互感器熔断器频繁发生熔断器熔断的现象, 则需进一步查找故障原因。

4 结束语

在小电流接地系统中, 电压互感器一次熔断器熔断和单相接地故障都是二次产生不平衡电压引发报警, 电压互感器一次熔断器熔断发出接地报警的主要是因为一次熔断器熔断, 熔断相没有了电压, 二次感应不到电压, 开口三角产生零序电压, 低电继电器动作接通报警回路。发生单相接地故障时接地相电压降为0 (假设金属性接地) , 电压互感器二次辅助线圈三相电压不平衡, 同样引起低压继电器闭合接通报警回路。两者的主要区别在于接地时相电压上升到线电压, 熔断器熔断时相电压基本没有什么变化, 调控员在处理此类事故时应结合电压和继电保护情况进行综合判断, 避免误断事故性质, 扩大事故。

摘要：设备在正常运行时承受着电网的额定电压, 由于单相接地、PT熔断器熔断等故障发生, 出现电压异常现象。发生单相接地故障时, 系统会自动发出接地报警信号, 提示运行人员, 系统发生接地故障, 及时查找接地线路。而PT高压熔断器熔断同样会发出接地信号, 若调控员经验不足极易误判断事故性质, 处理时扩大事故, 造成不必要的损失。本文根据单相接地、电压互感器熔断器熔断导致电压异常、事故报警及事故处理进行了阐述, 供运行人员进行交流。

关键词：单相接地,电压互感器,熔断器熔断,电压异常

参考文献

[1]刘维钟, 黄纯华, 刘宝坤, 张大森.中小型变电站电气设备的原理与运行[M].科学出版社.

[2]李坚.电网运行及调度技术问答[M].中国电力出版社.

[3]国家电力调度控制中心.电网调控运行人员[M].中国电力出版社.

[4]江苏省电力工业局.变电运行技能培训教材[M].中国电力出版社.

电流表和电压表的另类考法 第9篇

一、电流表改装成油量表

例1 (2013孝感) 如图1甲所示为某型号汽车的自动测定油箱内油量的电路原理图, 其中电源两端的电压恒为24V, R0=10Ω, A为油量指示表 (一只量程为0~0.6A的电流表) , RX为压敏电阻, 它的上表面面积为210cm, 其他阻值与所受压力的变化如下图乙所示, 当油箱加满油时, 油量指示表的示数如图1丙所示。

(1) 当RX所受压力为零时, RX的阻值为多少?

(2) 当油箱内汽油用完时, 油量指示表的指针指向某一位置, 求此位置所对应的电流值是多少? (计算结果保留两位小数)

(3) 油箱装满油时, 油对RX的压力与压强分别是多少?

点评:这是一道集电流表改装、图像、电路为一体的综合性试题, 主要考查电路、电流、压敏电阻、压力、压强等知识点。要想正确解答此类题目, 首先要明确电流表改装的原理;其次要会分析压敏电阻随压力变化的规律并能从图像上获取有用的信息, 再根据串并联的特点、欧姆定律及压强有关知识进行计算。

二、电压表改装成电子秤

例2 (2013烟台) 如图甲是某型号电子秤, 其原理结构如图乙所示。R0为定值电阻, R是压敏电阻, 其阻使随所受压力F变化的关系如图丙所示, 改写电压表 (量程为3V) 的表盘数值后可直接读出所称物体的质量。设踏板的质量为5kg, 电源电压保持9V不变, g取10N/kg。

(1) 空载时, 电压表的示数为1V, 求R0的阻值。

(2) 该电子秤的量程多大?

(3) 如果保持电子秤的结构和电压表量程不变, 只在电路中增加一个电阻, 使电子秤的量程变为110kg, 通过计算说明应使用多大的电阻?如何连接?

解析:这是一道由电压表改装成电子秤的计算试题, 其原理是由压敏电阻、定值电阻、开关、电压表、电源组成串联电路, 电压表并在定值电阻的两端。当压敏电阻受到的压力增大时, 压敏电阻的电阻减小, 其分压将减小, 定值电阻两端的电压将变大, 即电压表的示数就会变大, 根据表盘就可以直接读出所称物体的质量。

(3) 当电子秤的量程变为110kg时, 根据重力公式可知G'=m'g=110kg10N/kg=1100N。因为踏板的重力为50N, 所以压敏电阻受到的总压力为1150N, 根据图像可得, 当压敏电阻受到的压力为1150N时, 电阻R3=20Ω, 据分压公式URR=总, 得9V=总, 所以RU'0R03V30Ω总=90Ω。

电路串联的电阻R串=R总-R3-R0=90Ω-20Ω-30Ω=40Ω。要使电子秤的量程变为110kg, 应串联一个40Ω的电阻。

点评:本题以生活中的常见的电子秤为素材, 以电压表的改装为问题的切入点, 综合考查欧姆定律、电路设计、电流、电压、电阻的计算;此类题目不仅注重了对知识掌握程度的考查, 而且也注重了运用物理知识解决实际问题能力的考查, 符合物理源于生活, 同时又服务于生活的新理念。

三、电压表改装成水温表

例3 (2012莱芜) 有一种半导体材料的电阻值随着温度的变化而明显改变, 用这种材料制作的电阻称为热敏电阻。如图甲所示是某热敏电阻R的阻值随温度变化的图像。小马同学用该热敏电阻R和电压表设计了一只测量范围为0~100℃的水温表。图乙是这个水温表的原理图, 图中电压表的量程为0~3V, 定值电阻R0的阻值为100Ω, 要求当水温达到100℃时, 电压表的示数达到最大值。请完成下列各题。

(1) 根据图像回答该热敏电阻在100℃时的电阻值为多大?

(2) 电源电压为多大?

(3) 当水温达到100℃时, 电源消耗的总功率是多少?

(4) 通过计算说明改画的水温表刻度盘上的0℃应该与电压表刻度盘的什么位置对应?

点评:本题利用热敏电阻随温度的变化规律, 将电压表改装成一个水温表。正确解答此类题目, 首先要明确热敏电阻随温度的变化规律, 并能从图像上获取有用的信息;其次要掌握欧姆定律与串并联特点的综合应用。

四、电压表改装成风力表

例4 (2012海南) 图甲是某班科技小组设计的风力测定装置示意图, 图乙是其电路图。电阻R'随风力变化的关系如图丙所示。已知电源电压恒为9V, 定值电阻R0=2Ω, 电压表量程为0~3V。使用该装置测定风力, 则,

(1) 电阻R'的阻值随风力的增大怎样变化?

(2) 求无风时电压表的示数。

(3) 如果保持电压表量程不变, 且只能在电路中增加一个电阻R, 使该装置能测量的最大风力增加到900N, 计算电阻R的阻值, 并说明其连接方式。

(4) 计算改装后该装置电路总功率的变化范围。 (计算结果保留一位小数)

解析:这是一道由电压表改装成风力表的计算题。 (1) 由图像丙可知, 压敏电阻随着风力增大, 电阻减小; (2) 无风时, 压敏电阻的阻值为R'=16Ω。由R0/R′=U0 (/U-U0) , 得2/16=U0 (/9-U0) , U0=1V; (3) 保持电压表量程不变, 即U0=3V, 当风力增加到900N时, 由图丙可知压敏电阻R′=1Ω, (运用第 (2) 问中的计算方法, 算得电路中R0两端的电压为6V) , 应在电路中串联一个电阻R, 由 (R′+R) /R0= (U-U0) /U0, (1+R) /2= (9-3) V/3V, 解得R=3Ω; (4) P最小=2U/R最大= (9V) 2 (/2Ω+3Ω+16Ω) =3.9W, 2P最大=U/R最小= (9V) 2 (/2Ω+3Ω+1Ω) =13.5W。

电压电流法 第10篇

【摘要】通过采用新版本的电力电子与电磁暂态计算程序（EMTPE），在东北电网作必要等值的基础上，对500kV输电线路的潜供电流和恢复电压问题进行研究，通过确定中性点小电抗选择，以达到合理抑制潜供电流及恢复电压。

【关键词】潜供电流；恢复电压；中性点小电抗

1、前言

当线路发生单相接地短路时，接地相两侧断路器跳开后，其它两相仍在运行，由于相间电容和相间互感耦合，接地点仍流过一定的电流，这就是潜供电流；接地点的电流过零时故障相的电压称为恢复电压。当潜供电流和恢复电压数值较大时，会使故障处的电弧不易熄灭，单相重合闸的时间就会延长。为了采用快速自动重合闸，并确定重合闸的动作时间，需要计算线路的潜供电流和恢复电压的大小，并研究减小它的措施。本工程计算采用新版本的电力电子与电磁暂态计算程序（EMTPE），以阜新～鹤乡500kV输电线路为例对线路的潜供电流和恢复电压进行计算研究。

2、潜供电流和恢复电压

由健全相产生的潜供电流和恢复电压与线路上有无并联电抗器、线路长度、线路参数、故障点的位置等有关系。一般來说，线路较短时，潜供电流较小，熄弧时间短，单相重合闸动作时间也短，能够满足系统稳定的要求；线路较长时，潜供电流较大，熄弧时间长，单相重合闸动作时间也长，可能会不满足系统稳定的要求。然而，当线路较长时，线路上往往装设并联电抗器，如果选择适当的小电抗装在其中性点上，可以使得并联电抗器和中性点小电抗有效地补偿相间电容，大大减小潜供电流的静电分量，从而有效地限制线路的潜供电流。

本次计算中分别选取400Ω～800Ω作为阜新～鹤乡I回线路阜新侧的高压并联电抗器中性点小电抗阻值、800Ω～1200Ω作为阜新～鹤乡II回线路鹤乡侧的高压并联电抗器中性点小电抗阻值，对阜新变～鹤乡变双回线路进行潜供电流和恢复电压进行计算。

a）阜鹤I回线路

表2.1-1给出了500kV阜新～鹤乡同塔双回线路阜鹤I回线路单相接地短路时潜供电流和恢复电压的计算结果。当阜鹤II回线路运行时，阜鹤I回线路故障相上的潜供电流有效值最高为11.95A，恢复电压有效值最高为63.46kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为46.67kV。当阜鹤II回线路检修停运时，阜鹤I回线路故障相上的潜供电流有效值最高为12.80A，恢复电压有效值最高为78.41kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为60.46kV。当阜鹤II回线路备用时，阜鹤I回线路故障相上的潜供电流有效值最高为20.21A，恢复电压有效值最高为146.69kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为69.98kV。由计算结果可知，选择阻值为400Ω～800Ω的中性点小电抗，均可以达到合理抑制潜供电流及恢复电压的效果。

b）阜鹤II回线路

表2.1-2给出了500kV阜新～鹤乡同塔双回线路阜鹤II回线路单相接地短路时潜供电流和恢复电压的计算结果。当阜鹤I回线路运行时，阜鹤II回线路故障相上的潜供电流有效值最高为7.11A，恢复电压有效值最高为26.83kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为60.16kV。当阜鹤I回线路检修停运时，阜鹤II回线路故障相上的潜供电流有效值最高为11.61A，恢复电压有效值最高为43.81kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为65.33kV。当阜鹤I回线路备用时，阜鹤II回线路故障相上的潜供电流有效值最高为23.12A，恢复电压有效值最高为102.45kV，中性点小电抗上的最高工频过电压有效值为75.17kV。由计算结果可知，选择阻值为800Ω～1200Ω的中性点小电抗，均可以达到合理抑制潜供电流及恢复电压的效果。

4、结论

当阜新～鹤乡I回线路阜新侧的高压并联电抗器中性点小电抗阻值范围选取400Ω～800Ω、阜新～鹤乡II回线路鹤乡侧的高压并联电抗器中性点小电抗阻值范围选取800Ω～1200Ω时，均可以达到合理抑制潜供电流及恢复电压的效果。

参考文献

[1]电力工业部.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.DL/T620-1997.

[2]曹荣江.“电力系统潜供电弧自灭特性的模拟研究”.电力科学研究院，1994.11.

[3]宋杲等.1000kV特高压交流同塔双回输电线路潜供电弧及其控制研究.中国电力科学研究院，2008.12.

[4][美]J.G.安德生等.345千伏及以上超高压输电线路设计参考手册.电力工业出版社，1981.

作者简介

电压电流法 第11篇

当光伏渗透率较高的电网发生事故或扰动时,会引起光伏电站并网点电压跌落。此时,在一定的电压跌落范围和时间间隔内,光伏电站需具有不脱网连续运行的低电压穿越能力( low voltage ride through,LVRT) 。否则,该电站脱网可能引发相邻的电站跳闸,进一步导致电网震荡甚至崩溃等重大事故[1,2]。因此,随着光伏在电网中装机容量的不断增加,对光伏低电压穿越策略的研究越来越迫切[3]。

为实现光伏低电压穿越,已有大量学者提出各种策略。文献[4]在并网逆变器交流侧添加动态电阻,在电网故障时限制光伏输出电流。文献[5]考虑逆变器的容量限制,通过优先提供无功电流,限制有功电流来实现低电压穿越。上述文献都只考虑电网对称故障,并没有考虑不对称故障情况。据统计,电网电压跌落故障中95% 为不对称故障[6],因此光伏低电压穿越应考虑不对称故障情况。文献[7]基于比例谐振控制方法在电网故障时向电网注入无功功率,虽然该策略适用于不对称故障,但理想的比例谐振器较难实现。有学者提出使用正负序控制[8,9]对并网逆变器进行控制。文献[10]根据电网阻抗动态输出正序和负序电流,能有效的提高逆变器低电压穿越能力,但该策略只对低电压等级电网有较明显作用。文献[11]在保证有功电流恒定的情形下,根据并网点电压跌落情况线性输出无功电流。上述正负序控制策略都未考虑不对称故障下的有功功率波动,该波动会对系统有功平衡造成冲击,进而影响系统的频率质量[12]。

本研究在上述研究的基础上,提出一种低电压穿越策略。该策略根据并网点电压跌落情况输出不同的有功功率和无功功率; 电网不对称故障时引入负序控制抑制光伏输出的有功二倍频波动,保证系统输出有功功率稳定; 同时提出滞环控制环节消除可能存在的光伏并网点电压跳变问题。

1满足光伏LVRT要求的新策略

光伏发电站低电压穿越要求如图1 所示。

根据2013 年实施的国家标准—光伏发电站接入电力系统技术规定[13],光伏电站并网点电压跌落到图1 中折线以下时,光伏电站可以被切除退出运行,否则保持并网运行。

由图1 知,该规程要求在故障发生后0 ~ 2 s需要光伏电站具有低压穿越能力,即使光伏并网点电压跌落到0,光伏电站也能不脱网运行0. 15 s。此外,该规程还要求光伏电站应充分利用并网逆变器的无功容量及其调节能力,发挥其动态无功支持能力。

在满足上述要求和考虑电网有功功率平衡的情况下,提出了如下控制策略: 光伏并网点电压跌落后还高于阀值时优先保证光伏有功功率输出不变,利用光伏并网逆变器过流能力提供最大无功功率输出; 当并网点电压跌落后低于阀值时,切除光伏并网逆变器有功功率输入,光伏全部提供无功功率输出,以最大限度对并网点电压提供支撑作用。上述策略在光伏低电压穿越时光伏输出的有功功率P和无功功率Q按下式设定:

式中: Vpcc— 光伏并网点电压的正序电压标幺值; Vref—切除光伏并网逆变器有功功率输入的电压阀值; P0—故障前光伏输出功率; Qmax— 在不同Vpcc跌落情况下考虑光伏逆变器最大电流限制能提供的最大无功功率,该值需要计算。

具体控制策略流程图如图2 所示。

图2 中有如下几个关键步骤:

( 1) 若未监测到并网点电压跌落,则光伏逆变器以功率因数1 并网运行; 若检测到并网点电压跌落,则判断电压跌落程度。

( 2) 若电压跌落程度较小( 测量到的光伏并网点的正序电压标幺值大于阈值Vref) ,则设定输出有功功率P为P0,并根据有功功率P0及光伏逆变器电流约束条件计算出能输出的最大无功功率Qmax,并设为Q; 否则光伏并网逆变器全部输出无功,不输出有功功率,即P=0,Q=Qmax。

( 3) 根据P、Q设定值计算内环参考电流。

2不同类型故障下的控制策略分析

2. 1对称故障

光伏并网逆变器电压电流在旋转dq坐标系下满足公式:

式中: Vd,Vq— 并网点电压经过dq变换后的dq轴电压;ud,uq— 光伏逆变器交流侧dq轴电压; Id,Iq— 电网电流经过dq变换后的dq轴电流; L— 交流侧滤波电感;R— 滤波电感及逆变器的等效电阻。

根据式( 2) ,内环电流控制可以采取前馈补偿和PI调节的控制方式,控制框图如图3 所示。

Irefd,Irefq—内环电流参考值

光伏逆变器输出功率[14]可以表示为:

一般情况下光伏并网逆变器允许流过最大电流Imax为额定电流IN的1. 5 倍,所以Id和Iq应满足:

采用电网电压定向矢量控制,光伏并网点电压在同步旋转dq坐标系下满足Vd= E,Vq= 0,其中E表示并网点线电压。把式( 3) 和式( 4) 代入式( 1) ,可以得到在对称故障下光伏输出的无功功率最大值Qmax满足:

式中: Vref应满足:

因此对称情况下控制可以如图3 所示,当检测到并网点电压跌落,开关K从选择1 改变为选择2。本研究通过公式( 5) 先比较Vpcc和Vref得到输出的有功功率设定值P,然后计算无功功率设定值Q,再根据式( 3) 计算电流内环参考值Idref和Iqref,然后该值与电网的Id和Iq电流相减,得到的偏差经过PI调节器以后再加上前馈电流解耦项,其输出量在过坐标变换后经SVPWM调制对并网逆变器进行控制,从而实现光伏对称故障下的低电压穿越控制。

2. 2不对称故障

光伏多采用三相无中线接入电网,因此电网发生不对称故障时,可以不考虑零序分量,但电网会产生负序分量。负序分量在电网中会产生有功功率二倍频波动,为消除其有功波动影响,本研究采用正负序分离控制。在此基础上,考虑光伏逆变器电流限制,推导出最大无功功率Qmax计算公式。

本研究采用T/4 延时法[15]将并网点电压和电流坐标变换到静止 αβ 坐标系下的正、负序电压Vpαβ、Vnαβ和正、负序电流Ipαβ、Inαβ,再变换到同步旋转dq坐标下,最后得到正、负序电压Vpdq、Vndq和正、负序电流Ipdq、Indq。

那么光伏逆变器输出的瞬时功率可以表示为:

式中: ω— 电网角频率; Pc2,s2,Qc2,Qs2— 由系统电压不平衡引起的有功和无功二倍频波动。

为消除有功功率的二倍频波动,即令Pc2= 0、Ps2=0,可以得到不对称故障下内环电流参考值满足下式:

式中:

将式( 8) 进行反Park变换,可以得abc坐标系下的正序电流Ipabc和负序电流Inabc。以A相电流为例,如下式:

式中: φ— 功率因素角。

考虑到光伏并网逆变器能流过的最大电流限制,可以得到:

当式( 10) 取等号时,光伏发出最大无功功率,结合式( 1,8,9,10) 可以得到不对称故障下光伏输出的无功功率最大值Qmax如下式:

式中:。为计算Vref应满足的条件,定义不对称度n如下:

所以,Vref应满足:

Vref应同时考虑公式( 6) 和公式( 13) ,即应满足下式:

式中: Vref1— 式( 6) 取等号时的解,Vref2— 式( 13) 取等号时的解。

不对称故障控制框图较对称故障控制框图增加了负序控制,其控制框图如图4 所示。

Ipdref,Ipqref—正序内环dq电流参考值;Indref,Inqref—负序内环dq电流参考值。

当电网正常运行时,开关k选择1,Ipdref取自外环参考值,Ipqref、Indref和Inqref都设置为0; 当电网发生不对称故障时,开关k切换到2,根据并网点电压跌落情况通过式( 11) 计算光伏输出的有功功率P和无功功率Q设定值,然后根据式( 8) 计算Ipdref、Ipqref、Indref和Inqref,再与并网点电流Idp、Iqp、Idn和Iqn相减,其偏差通过正负序内环PI控制器后生成SVPWM调制信号控制光伏并网逆变器,从而实现光伏在不对称故障下的低电压穿越。

3滞环控制环节

由于电网故障位置和类型不同,光伏接入点电压Vpcc有可能恰好跌落到Vref附近。这种情况下,当Vpcc降低到小于Vref时,根据上述控制策略光伏会全部提供无功功率,由于无功功率突然增加,从而使Vpcc升高,根据电网结构不同Vpcc可能升高至大于Vref,这会导致光伏改为优先提供有功,进而导致无功功率输出减少,Vpcc因此降低,以至于低于Vref,因此Vpcc电压会在Vref附近跳变,严重影响并网点电压的稳定性,接入点电压跳变如图5 所示。

为解决上述问题,本研究在以上控制基础上加入滞环控制环节,当Vpcc从高降低时,只要低于Vref,控制改为全部提供无功方式,但当Vpcc从低升高时,需升高到Vref+ ΔV以后,控制才改为优先提供有功方式。调节ΔV大小可以有效防止电压跳变问题。

实现方式如图6 所示。

4算例验证

光伏接入电网接线图如图7 所示。

本研究采用图7 所示系统验证上述LVRT策略的有效性与合理性。图7 中,光伏额定容量S = 0. 3 MW,光伏额定电流为IN= 1. 3 k A,光伏逆变器最大允许电流Imax= 1. 5IN= 1. 95 k A,光伏DG输出电压0. 23 k V,滤波电感L = 20 m H,变压器容量1 MW,并网点电压10. 5 k V,系统等效阻抗Zs为j1. 3 Ω。线路1 和线路2 长度都为10 km,线路单位正、负序阻抗为均( 0. 17 + j0. 2) Ω / km。负荷功率均设置为P = 1 MW,Q = 0。控制算法中Vref=0. 7 p. u. ,滞环参数 ΔV = 0. 05 p. u. 。

为验证该策略无功电流注入对并网点电压的支撑作用和抑制有功功率波动的能力,笔者另外选择两种控制策略进行对比,控制策略1 为本研究提出的LVRT策略,控制策略2 为无滞环环节的控制策略,控制策略3 采用正负序PI控制,其中正序控制不提供无功电流,负序控制以负序电流为零为控制目标。在1 s时,线路L2 的5 /6 处设置三相接地故障,持续时间0. 5 s。仿真结果如图8 所示。

本研究提出的控制策略1 比控制策略2 多了滞环控制环节,由图8( a) 、8( b) 可知,电网三相故障以后光伏并网点电压跌落较多,并网点电压已经跌落到Vref= 0. 7以下,因此控制策略1 已经完全提供无功功率Q= 0. 331 MVAR,而有功功率P = 0 MW; 由于全部提供无功功率,光伏并网点电压得到提升,但是并未超过Vref+ ΔV = 0. 75,因此还是保持全部提供无功不提供有功的输出状态; 控制策略2 没有滞环环节,根据图8( a) 中可知,该控制策略下Vpcc会在Vref= 0. 7 p. u. 附近波动,这是因为控制策略一直在优先提供有功方式和全部提供无功方式之间进行切换,所以即输出有功功率又输出无功功率,造成并网点电压跳变。因为是三相对称故障,只取A相电流进行分析。从图8( c) 中可知,控制策略2 中的A相电流有较大的畸变,其电流幅值有时候会超过了两条虚线,即逆变器的最大允许电流Imax=1. 95 k A。由此可见滞环控制环节能避免Vpcc在Vref附近跳变的问题,同时保证并网逆变器安全运行。

由图8( a) 、8( c) 可知,采用控制策略1 电网因无功功率的注入,Vpcc提升到0. 720 p. u. ,而控制策略3光伏不提供无功功率,虽然保障了逆变器电流不超限但是其Vpcc跌落到0. 655 p. u. ,在此情况下本研究控制策略1 相比控制策略3 对Vpcc有0. 055 p. u. 的提升,有助于并网点电压的恢复。

除了三相对称故障,在1 s时,在线路L2 中点处设置单相接地故障,持续时间0. 5 s,以验证本研究控制策略对不对称故障控制效果。

仿真结果如图9 所示。

由图9( a) 可知,在这种情况下,因为是单相故障,所以Vpcc跌落不多,在控制策略1 下Vpcc跌落到0. 866 p. u. ,而控制策略3 中Vpcc跌落到0. 835 p. u. ,控制策略1 对Vpcc提升了0. 031 p. u. 。由图9( b) 可知,控制策略1 在故障发生以后,保证了光伏有功功率P = 0. 3 MW不变,且输出有功功率没有二倍频波动,只有在故障发生和切除的短时间内有一定的波动,同时输出无功功率Q = 0. 25 MVar。由于光伏无功功率的输出,让图9( a) 中的Vpcc升高; 控制策略3 的负序控制只抑制负序电流,因此光伏输出的有功功率和无功功率都还存在二倍频波动。由图9( c) 可知,两种控制都满足不超过逆变器最大电流限制条件,但是控制策略1 充分利用了逆变器无功容量,既保证输出有功功率不变,又提供无功功率,对Vpcc起抬升作用,能更好地实现光伏低电压穿越。

5结束语