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bd3ed1e101
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2dd20cf70e
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2dd20cf70e | ||
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0f14fe134b |
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README.md
13
README.md
@ -39,13 +39,14 @@ Market-neutral educational material — no venture-specific analysis.
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| 04 | [04_market_mechanics_companion_en.md](primers/grid/04_market_mechanics_companion_en.md) | [zh](primers/grid/04_market_mechanics_companion_zh.md) | Market mechanics companion — clearing, pricing, settlement. 市场机制手册——出清、定价、结算。 |
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| 04 | [04_market_mechanics_companion_en.md](primers/grid/04_market_mechanics_companion_en.md) | [zh](primers/grid/04_market_mechanics_companion_zh.md) | Market mechanics companion — clearing, pricing, settlement. 市场机制手册——出清、定价、结算。 |
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| 05 | [05_trading_under_uncertainty_en.md](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_en.md) | [zh](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_zh.md) | Trading under uncertainty. 不确定性下的交易。 |
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| 05 | [05_trading_under_uncertainty_en.md](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_en.md) | [zh](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_zh.md) | Trading under uncertainty. 不确定性下的交易。 |
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**Topical primers 专题读物** (EN only):
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**Topical primers 专题读物**:
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| Doc 文档 | EN | 中文 | Contents 内容 |
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| SCUC & SCED | [scuc_sced_en.md](primers/scuc_sced_en.md) | The two optimization problems that clear US wholesale markets; N-1 security, LMP as dual variables. 出清美国批发市场的两大优化问题。 |
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| Power grid & AC fundamentals 电网与交流电基础 | [power_grid_ac_fundamentals_en.md](primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md) | [power_grid_ac_fundamentals_zh.md](primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md) | Grid structure, AC, impedance, inductors, capacitors, and Kirchhoff’s laws. 电网结构、交流电、阻抗、电感、电容与基尔霍夫定律。 |
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| Newsvendor 报童模型 | [newsvendor_en.md](primers/newsvendor_en.md) | The newsvendor problem applied to electricity bidding — underpins the bid loop in `pjm/design_models_*`. 报童模型在电力竞价中的应用。 |
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| SCUC & SCED | [scuc_sced_en.md](primers/scuc_sced_en.md) | EN only | The two optimization problems that clear US wholesale markets; N-1 security, LMP as dual variables. 出清美国批发市场的两大优化问题。 |
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| Stochastic optimization 随机优化 | [stochastic_optimization_en.md](primers/stochastic_optimization_en.md) | Stochastic optimization in power systems — scenarios, recourse, hydro, offering under uncertainty. 电力系统中的随机优化。 |
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| Newsvendor 报童模型 | [newsvendor_en.md](primers/newsvendor_en.md) | EN only | The newsvendor problem applied to electricity bidding — underpins the bid loop in `pjm/design_models_*`. 报童模型在电力竞价中的应用。 |
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| Stochastic optimization 随机优化 | [stochastic_optimization_en.md](primers/stochastic_optimization_en.md) | EN only | Stochastic optimization in power systems — scenarios, recourse, hydro, offering under uncertainty. 电力系统中的随机优化。 |
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### `us_market/` — US market reference 美国市场综述
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### `us_market/` — US market reference 美国市场综述
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primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md
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primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md
Normal file
@ -0,0 +1,863 @@
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# Power Grid and AC Fundamentals
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## Overview
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This primer starts with the basic structure of the electrical grid and then builds toward alternating current, impedance, inductors, capacitors, and Kirchhoff’s laws.
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## 1. What Is an Electrical Power Grid?
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An electrical power grid is a large interconnected system that moves electrical energy from power plants and other sources to homes, businesses, and factories.
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The grid has four main parts:
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1. **Generation**
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2. **Transmission**
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3. **Substations and transformers**
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4. **Distribution**
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### 1.1 Generation
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Electricity is produced by sources such as:
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- Natural-gas, coal, and nuclear plants
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- Hydroelectric stations
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- Wind turbines
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- Solar farms
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- Batteries and other energy-storage systems
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Traditional generators usually produce alternating current, or **AC**. Solar panels and batteries naturally produce direct current, or **DC**, so power-electronic inverters are used to connect them to the AC grid.
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### 1.2 Transmission
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Transmission lines carry large amounts of electrical power over long distances.
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Power is approximately:
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\[
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P = VI
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\]
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where:
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- \(P\) is power
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- \(V\) is voltage
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- \(I\) is current
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For the same amount of power, raising the voltage allows the current to be reduced.
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Transmission losses are approximately:
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\[
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P_{\text{loss}} = I^2R
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\]
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Because losses depend on the square of current, high-voltage transmission greatly reduces heating losses.
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### 1.3 Substations and Transformers
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Substations connect different parts of the grid. They contain equipment that can:
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- Raise or lower voltage
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- Connect or disconnect lines
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- Measure voltage and current
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- Protect equipment during faults
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- Control power flow
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Transformers raise voltage for long-distance transmission and lower it again near customers.
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### 1.4 Distribution
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Distribution networks carry electricity from local substations to customers.
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Additional transformers reduce the voltage to levels used by homes, offices, and industrial equipment.
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## 2. Important Grid Quantities
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### 2.1 Voltage
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Voltage is the electrical potential difference between two points. It is the electrical “push” that drives current.
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In an AC grid, voltage has both:
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- A magnitude
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- A phase angle
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Different grid buses may have slightly different voltage magnitudes and phase angles.
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### 2.2 Current
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Current is the movement of electric charge through a conductor.
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In the grid, line current depends on:
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- Connected generation and loads
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- Voltage differences
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- Voltage phase-angle differences
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- Line impedance
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- Network topology
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### 2.3 Real, Reactive, and Apparent Power
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In AC systems, engineers distinguish between three types of power.
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#### Real power \(P\)
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Real power performs useful work and is measured in watts.
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Examples include:
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- Producing heat
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- Turning a motor
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- Producing light
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#### Reactive power \(Q\)
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Reactive power supports electric and magnetic fields. It is measured in vars.
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Reactive power moves back and forth between sources and reactive components such as inductors and capacitors.
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#### Apparent power \(S\)
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Apparent power is measured in volt-amperes.
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The three are related by:
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\[
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S^2 = P^2 + Q^2
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\]
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### 2.4 Frequency
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Frequency is the number of AC cycles per second.
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\[
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1\text{ Hz} = 1\text{ cycle per second}
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\]
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Typical grid frequencies are:
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- 60 Hz in the United States and some other countries
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- 50 Hz in many other parts of the world
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Frequency reflects the balance between generation and demand:
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- If demand exceeds generation, frequency tends to fall.
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- If generation exceeds demand, frequency tends to rise.
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## 3. Buses, Branches, and Loads
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Power engineers often represent the grid as a network.
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### Bus
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A **bus** is a connection point where generators, loads, transformers, or transmission lines meet.
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### Branch
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A **branch** is a transmission line or transformer connecting two buses.
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### Load
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A **load** is equipment that consumes electrical power, such as:
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- Motors
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- Lighting
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- Heating systems
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- Computers and electronics
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A simplified network is:
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\[
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\text{Generator}
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\rightarrow
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\text{Bus 1}
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\rightarrow
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\text{Transmission line}
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\rightarrow
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\text{Bus 2}
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\rightarrow
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\text{Load}
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\]
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Real power grids contain many parallel paths. Electricity divides among those paths according to the network’s electrical properties rather than following one assigned route.
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## 4. Direct Current and Alternating Current
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### 4.1 Direct Current
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With **direct current**, or DC, charge flows mainly in one direction.
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A battery is a common DC source.
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### 4.2 Alternating Current
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With **alternating current**, or AC, voltage and current repeatedly reverse direction.
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An ideal sinusoidal voltage is:
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\[
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v(t) = V_{\text{peak}}\sin(\omega t)
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\]
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The voltage:
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1. Rises positive
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2. Falls to zero
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3. Becomes negative
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4. Returns to zero
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5. Repeats
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Negative voltage does not mean “less than no electricity.” It means that the polarity between two reference points has reversed.
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### 4.3 How AC Is Generated
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A generator converts mechanical rotation into electrical energy.
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In a simplified generator:
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1. A magnetic field rotates relative to coils of wire.
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2. The magnetic flux through the coils changes.
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3. A voltage is induced.
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4. As the magnetic orientation reverses, the voltage reverses.
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This produces AC.
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Generators may be driven by:
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- Steam turbines
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- Gas turbines
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- Water turbines
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- Wind turbines
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- Engines
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### 4.4 RMS Voltage
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Because AC voltage changes continuously, engineers often describe it using its root-mean-square value.
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For a sine wave:
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\[
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V_{\text{RMS}} = \frac{V_{\text{peak}}}{\sqrt{2}}
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\]
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A 120 V household supply is approximately 120 V RMS, with a peak near 170 V.
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RMS voltage is useful because it produces the same heating effect in a resistor as an equal DC voltage.
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## 5. How Electrical Energy Travels in AC Systems
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A wire already contains mobile electrons before it is energized.
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The power plant does not send a specific group of electrons all the way to a customer. Instead:
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1. The generator establishes an electromagnetic field.
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2. That field propagates along the circuit.
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3. Local electrons in the conductors begin moving.
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4. Energy is transferred to the load.
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In AC, electrons usually oscillate back and forth around approximately the same average position.
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Two different speeds are involved:
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- **Electron drift speed:** relatively slow
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- **Electromagnetic propagation speed:** very fast, often a significant fraction of the speed of light
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The electromagnetic energy flow is described by the Poynting vector:
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\[
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\mathbf{S} = \mathbf{E} \times \mathbf{H}
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\]
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where:
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- \(\mathbf{E}\) is the electric field
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- \(\mathbf{H}\) is the magnetic field
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- \(\mathbf{S}\) describes the direction and rate of energy flow
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The conductors guide the fields that carry energy toward the load.
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## 6. Phase in AC Circuits
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Two AC waveforms are **in phase** when their peaks and zero crossings occur at the same times.
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They are **out of phase** when one waveform leads or lags the other.
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### Pure resistor
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For an ideal resistor:
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\[
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v(t) = i(t)R
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\]
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Voltage and current are in phase.
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### Pure inductor
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For an ideal inductor:
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- Voltage leads current by \(90^\circ\)
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- Current lags voltage by \(90^\circ\)
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### Pure capacitor
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For an ideal capacitor:
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- Current leads voltage by \(90^\circ\)
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- Voltage lags current by \(90^\circ\)
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## 7. Resistance, Reactance, and Impedance
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### 7.1 Resistance
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Resistance opposes current and converts electrical energy into heat.
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\[
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P_{\text{loss}} = I^2R
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\]
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Resistance is measured in ohms.
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### 7.2 Reactance
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Reactance is opposition to AC caused by energy storage in electric or magnetic fields.
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It comes from:
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- Inductance
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- Capacitance
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Unlike ideal resistance, ideal reactance does not permanently consume average real power. It stores energy temporarily and returns it to the circuit.
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### 7.3 Impedance
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Impedance is the total opposition to AC.
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\[
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Z = R + jX
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\]
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where:
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- \(Z\) is impedance
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- \(R\) is resistance
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|
- \(X\) is reactance
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- \(j\) represents a \(90^\circ\) phase shift
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For AC circuits, Ohm’s law becomes:
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\[
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\underline{I} = \frac{\underline{V}}{Z}
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\]
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The underlines indicate phasor quantities.
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### Example
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If a line has:
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\[
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Z = 2 + j8\ \Omega
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\]
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||||||
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||||||
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then:
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||||||
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- Resistance is \(2\ \Omega\)
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|
- Inductive reactance is \(8\ \Omega\)
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Its magnitude is:
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\[
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||||||
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|Z| = \sqrt{2^2 + 8^2} \approx 8.25\ \Omega
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||||||
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\]
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||||||
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|
The line is mostly inductive because its reactance is much larger than its resistance.
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---
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## 8. Inductors
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An inductor is usually a coil of wire that stores energy in a magnetic field.
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Its key behavior is:
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> An inductor resists changes in current.
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### 8.1 How an Inductor Works
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When current flows through a wire, it creates a magnetic field.
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Winding the wire into a coil strengthens and concentrates that field.
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If the current changes, the magnetic field changes. That changing field induces a voltage that opposes the original change. This is Lenz’s law.
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The basic relationship is:
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\[
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v_L = L\frac{di}{dt}
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\]
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||||||
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||||||
|
where:
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||||||
|
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||||||
|
- \(v_L\) is inductor voltage
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||||||
|
- \(L\) is inductance in henries
|
||||||
|
- \(di/dt\) is the rate of change of current
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||||||
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||||||
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### 8.2 DC Behavior
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||||||
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||||||
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When a DC source is first connected, the inductor opposes the sudden rise in current.
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||||||
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||||||
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In a series RL circuit:
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||||||
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||||||
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\[
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||||||
|
i(t) = \frac{V}{R}\left(1-e^{-tR/L}\right)
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||||||
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\]
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||||||
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|
||||||
|
The time constant is:
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||||||
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\[
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\tau = \frac{L}{R}
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\]
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||||||
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After the current becomes steady:
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\[
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||||||
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\frac{di}{dt}=0
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\]
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so:
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\[
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v_L = 0
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\]
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An ideal inductor then behaves like a short circuit for steady DC.
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### 8.3 Switching Off an Inductor
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When current is interrupted suddenly, the collapsing magnetic field produces a voltage that tries to keep current flowing.
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This can create:
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- Sparks
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- Arcing
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- High-voltage transients
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- Damage to switches or transistors
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Protective devices such as flyback diodes provide a safe path for the current.
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### 8.4 Stored Energy
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An inductor stores energy in its magnetic field:
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\[
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W_L = \frac{1}{2}LI^2
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\]
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### 8.5 Inductive Reactance
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For sinusoidal AC:
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\[
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X_L = 2\pi fL
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\]
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Inductive reactance increases when:
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- Frequency increases
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- Inductance increases
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The impedance of an ideal inductor is:
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\[
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Z_L = j\omega L
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\]
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### 8.6 Inductors in the Grid
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Grid equipment contains inductance even when there is no obvious coil.
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Examples include:
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- Transmission lines
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- Transformers
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- Motors
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- Generators
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- Reactors
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Power-system reactors are large inductors used to:
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- Limit fault current
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- Control voltage
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- Absorb reactive power
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- Reduce transients
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## 9. Capacitors
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A capacitor stores energy in an electric field.
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Its key behavior is:
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> A capacitor resists changes in voltage.
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### 9.1 Construction
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A basic capacitor has two conductive plates separated by an insulating dielectric.
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\[
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\text{plate} \; | \; \text{dielectric} \; | \; \text{plate}
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\]
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The dielectric may be air, ceramic, plastic film, oxide, or another insulating material.
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### 9.2 Charge and Voltage
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The stored charge is:
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\[
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Q = CV
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\]
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where:
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- \(Q\) is charge
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- \(C\) is capacitance in farads
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- \(V\) is voltage
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For ideal parallel plates:
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\[
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C = \frac{\varepsilon A}{d}
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\]
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Capacitance increases when:
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- Plate area increases
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- Plate spacing decreases
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- Dielectric permittivity increases
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### 9.3 Current-Voltage Relationship
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The fundamental capacitor equation is:
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\[
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i = C\frac{dv}{dt}
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\]
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A capacitor carries current when its voltage is changing.
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|
A finite current can only change capacitor voltage at a finite rate, so capacitor voltage cannot jump instantly in an ideal circuit.
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### 9.4 DC Charging
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When an uncharged capacitor is connected to a DC source through a resistor:
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\[
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|
v_C(t) = V\left(1-e^{-t/RC}\right)
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\]
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||||||
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|
and:
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\[
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||||||
|
i(t) = \frac{V}{R}e^{-t/RC}
|
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\]
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||||||
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|
The time constant is:
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\[
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|
\tau = RC
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\]
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After the capacitor is fully charged, its voltage becomes constant, so:
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\[
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||||||
|
\frac{dv}{dt}=0
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|
\]
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||||||
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|
and therefore:
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\[
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i=0
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\]
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|
An ideal capacitor behaves like an open circuit for steady DC.
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### 9.5 Stored Energy
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A capacitor stores energy in its electric field:
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\[
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|
W_C = \frac{1}{2}CV^2
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|
\]
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### 9.6 Capacitive Reactance
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For sinusoidal AC:
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\[
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|
X_C = \frac{1}{2\pi fC}
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|
\]
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|
Capacitive reactance decreases when:
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- Frequency increases
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- Capacitance increases
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The impedance of an ideal capacitor is:
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\[
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|
Z_C = \frac{1}{j\omega C} = -jX_C
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\]
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### 9.7 Capacitors in the Grid
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Grid capacitance appears in:
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- Transmission lines
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- Underground cables
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- Capacitor banks
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- Series compensation equipment
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- Shunt compensation equipment
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Capacitor banks are used to:
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- Support voltage
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- Supply reactive power locally
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- Improve power factor
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- Reduce line current
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- Reduce \(I^2R\) losses
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Series capacitors offset part of line inductive reactance:
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\[
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|
X_{\text{net}} = X_L - X_C
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\]
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Shunt capacitors are connected to a bus and help support bus voltage.
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## 10. Inductors and Capacitors Compared
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| Property | Inductor | Capacitor |
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|---|---|---|
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| Stores energy in | Magnetic field | Electric field |
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| Resists changes in | Current | Voltage |
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| Basic equation | \(v=L\,di/dt\) | \(i=C\,dv/dt\) |
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| Steady DC behavior | Short circuit ideally | Open circuit ideally |
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| AC phase relationship | Current lags voltage | Current leads voltage |
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| Reactance as frequency rises | Increases | Decreases |
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| Ideal impedance | \(j\omega L\) | \(1/(j\omega C)\) |
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## 11. Why Current Can Reverse While Power Still Flows to a Load
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For a pure resistor:
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\[
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v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)
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\]
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||||||
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||||||
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\[
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||||||
|
i(t)=I_{\text{peak}}\sin(\omega t)
|
||||||
|
\]
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||||||
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||||||
|
Instantaneous power is:
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\[
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||||||
|
p(t)=v(t)i(t)
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||||||
|
\]
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||||||
|
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||||||
|
Therefore:
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\[
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||||||
|
p(t)=V_{\text{peak}}I_{\text{peak}}\sin^2(\omega t)
|
||||||
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\]
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||||||
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||||||
|
Because \(\sin^2(\omega t)\) is never negative, the resistor receives energy during both halves of the cycle.
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When voltage and current both reverse, their product remains positive.
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For ideal inductors and capacitors, power alternates between positive and negative because energy is repeatedly stored and returned.
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## 12. Kirchhoff’s Laws
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Kirchhoff’s laws describe the basic conservation rules that electrical networks must obey.
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### 12.1 Kirchhoff’s Current Law
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At any node or bus:
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\[
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\sum I_{\text{entering}} = \sum I_{\text{leaving}}
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\]
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Current cannot accumulate at an ideal node.
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In power-system form, this becomes a real- and reactive-power balance at each bus.
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A simplified real-power balance is:
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\[
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P_{\text{generation}} - P_{\text{load}}
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=
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||||||
|
P_{\text{exported}} + P_{\text{losses}}
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\]
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||||||
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A similar equation applies to reactive power.
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### 12.2 Kirchhoff’s Voltage Law
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Around any closed electrical loop:
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\[
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\sum V = 0
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\]
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The total voltage rises equal the total voltage drops.
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For a transmission line:
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\[
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\underline{V}_1 - \underline{V}_2 = \underline{I}Z
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\]
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||||||
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where:
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- \(\underline{V}_1\) and \(\underline{V}_2\) are bus-voltage phasors
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|
- \(\underline{I}\) is line current
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- \(Z\) is line impedance
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### 12.3 Role in Grid Analysis
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Together, Kirchhoff’s laws allow engineers to calculate:
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- Bus voltages
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- Line currents
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- Real-power flows
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- Reactive-power flows
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- Losses
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- Fault currents
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They are fundamental to:
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- Load-flow studies
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- Short-circuit studies
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- Stability studies
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- Protection design
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## 13. How Power Flows Through an AC Grid
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In an interconnected AC network, power divides among all available paths.
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The distribution of power depends on:
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- Line resistance
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- Line reactance
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- Bus-voltage magnitudes
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- Voltage phase angles
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- Network connections
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A lower-impedance path generally carries more current than a higher-impedance path.
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In high-voltage transmission systems, inductive reactance is often larger than resistance. As a result, real-power flow is strongly influenced by the phase-angle difference between buses.
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Grid operators influence power flow by:
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- Adjusting generator output
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- Switching transmission lines
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- Changing transformer taps
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- Connecting or disconnecting capacitor banks or reactors
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- Using power-electronic controllers
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## 14. Core Mental Models
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### AC
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\[
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\text{rotating generator}
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|
\rightarrow
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||||||
|
\text{alternating voltage}
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||||||
|
\rightarrow
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||||||
|
\text{alternating current}
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||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{energy transfer}
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\]
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||||||
|
|
||||||
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### Inductor
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\[
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||||||
|
\text{changing current}
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||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{changing magnetic field}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{induced voltage}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{opposition to current change}
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
### Capacitor
|
||||||
|
|
||||||
|
\[
|
||||||
|
\text{changing voltage}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{movement of charge}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{changing electric field}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{current}
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
### Grid analysis
|
||||||
|
|
||||||
|
\[
|
||||||
|
\text{network model}
|
||||||
|
+
|
||||||
|
\text{impedances}
|
||||||
|
+
|
||||||
|
\text{Kirchhoff’s laws}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{voltages, currents, and power flows}
|
||||||
|
\]
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## 15. Summary
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The electrical grid is an interconnected AC network that transports energy from generators to loads.
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The most important ideas are:
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- High voltage reduces transmission current and resistive losses.
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- AC voltage and current repeatedly reverse direction.
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- Electrical energy is carried by electromagnetic fields guided by conductors.
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|
- Resistance consumes real power.
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- Inductors store energy in magnetic fields and resist changes in current.
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- Capacitors store energy in electric fields and resist changes in voltage.
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- Impedance combines resistance and reactance.
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- Kirchhoff’s Current Law enforces balance at buses.
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|
- Kirchhoff’s Voltage Law enforces voltage consistency around loops.
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|
- These principles form the foundation of power-flow, fault, and stability analysis.
|
||||||
863
primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md
Normal file
863
primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md
Normal file
@ -0,0 +1,863 @@
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# 电网与交流电基础
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## 概述
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本文从电网的基本结构讲起,逐步介绍交流电、阻抗、电感、电容与基尔霍夫定律。
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## 1. 什么是电力系统?
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电力系统是一个大型互联网络,把发电厂及其他电源产生的电能输送到家庭、商业和工业用户。
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电网主要由四个部分组成:
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1. **发电**
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2. **输电**
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3. **变电站与变压器**
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4. **配电**
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### 1.1 发电
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电力来源包括:
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- 天然气、煤炭和核电厂
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- 水电站
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- 风力发电机组
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- 光伏电站
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|
- 电池及其他储能系统
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传统发电机通常直接产生交流电( **AC** )。光伏组件和电池天然产生直流电( **DC** ),因此需要通过电力电子逆变器接入交流电网。
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### 1.2 输电
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输电线路用于远距离输送大规模电力。
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功率近似为:
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\[
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P = VI
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\]
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其中:
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- \(P\) 为功率
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- \(V\) 为电压
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- \(I\) 为电流
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输送相同功率时,提高电压可以降低电流。
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输电损耗近似为:
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\[
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P_{\text{loss}} = I^2R
|
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\]
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损耗与电流的平方成正比,因此高压输电能显著减少发热损耗。
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### 1.3 变电站与变压器
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变电站连接电网的不同部分,其中的设备可以:
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- 升高或降低电压
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- 接通或断开线路
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- 测量电压与电流
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- 在故障时保护设备
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- 控制潮流
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变压器在远距离输电前升高电压,在靠近用户处再降低电压。
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### 1.4 配电
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|
配电网把电力从当地变电站输送到用户。
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配电变压器进一步把电压降到家庭、办公场所和工业设备使用的等级。
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## 2. 重要的电网物理量
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### 2.1 电压
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电压是两点之间的电势差,是驱动电流的电学“推力”。
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交流电网中的电压同时具有:
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- 幅值
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- 相角
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不同母线的电压幅值和相角可能略有不同。
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### 2.2 电流
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电流是电荷在导体中的运动。
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电网中的线路电流取决于:
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- 接入的发电与负荷
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- 电压差
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- 电压相角差
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- 线路阻抗
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- 网络拓扑
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### 2.3 有功、无功与视在功率
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交流系统区分三类功率。
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#### 有功功率 \(P\)
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有功功率用于完成实际工作,以瓦特为单位。
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例如:
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- 产生热量
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- 驱动电机
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- 发出光
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#### 无功功率 \(Q\)
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无功功率用于维持电场和磁场,以乏(var)为单位。
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无功功率在电源与电感、电容等无功元件之间往返交换。
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#### 视在功率 \(S\)
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视在功率以伏安为单位。
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三者关系为:
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\[
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S^2 = P^2 + Q^2
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\]
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### 2.4 频率
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频率是交流电每秒完成的周期数。
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\[
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1\text{ Hz} = 1\text{ 个周期/秒}
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\]
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常见电网频率为:
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- 美国及部分国家为 60 Hz
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- 世界许多其他地区为 50 Hz
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频率反映发电与用电之间的平衡:
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- 用电大于发电时,频率往往下降。
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- 发电大于用电时,频率往往上升。
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## 3. 母线、支路与负荷
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电力工程师通常把电网表示为一个网络。
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### 母线
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**母线** 是发电机、负荷、变压器或输电线路汇接的节点。
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### 支路
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**支路** 是连接两条母线的输电线路或变压器。
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### 负荷
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**负荷** 是消耗电力的设备,例如:
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- 电机
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- 照明
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- 供热系统
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- 计算机与电子设备
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一个简化网络为:
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\[
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\text{发电机}
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\rightarrow
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\text{母线 1}
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\rightarrow
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|
\text{输电线路}
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||||||
|
\rightarrow
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||||||
|
\text{母线 2}
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||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{负荷}
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\]
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真实电网包含许多并行路径。电力依据网络的电气特性在各条路径间分配,而不是沿某一条指定路线输送。
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## 4. 直流电与交流电
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### 4.1 直流电
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在 **直流电** (DC)中,电荷主要沿一个方向流动。
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电池是常见的直流电源。
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### 4.2 交流电
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在 **交流电** (AC)中,电压和电流的方向周期性反转。
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理想正弦电压为:
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\[
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v(t) = V_{\text{peak}}\sin(\omega t)
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\]
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电压会:
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1. 上升到正值
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2. 降至零
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3. 变为负值
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4. 回到零
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5. 重复循环
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负电压并不意味着“比没有电还少”,而是两个参考点之间的极性发生了反转。
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### 4.3 交流电如何产生
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发电机把机械旋转转换为电能。
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在简化的发电机中:
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1. 磁场相对线圈旋转。
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2. 穿过线圈的磁通量发生变化。
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3. 线圈中产生感应电压。
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4. 磁场方向反转时,电压方向也反转。
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由此产生交流电。
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发电机的原动机可以是:
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- 蒸汽轮机
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- 燃气轮机
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- 水轮机
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- 风力机
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- 发动机
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### 4.4 电压有效值
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交流电压持续变化,因此工程上常用均方根值,即有效值描述它。
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对于正弦波:
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\[
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V_{\text{RMS}} = \frac{V_{\text{peak}}}{\sqrt{2}}
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\]
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标称 120 V 的家庭电源约为 120 V 有效值,峰值接近 170 V。
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有效值的意义在于,它在电阻上产生的热效应与数值相同的直流电压相同。
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## 5. 电能如何在交流系统中传输
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导线在通电前就已经含有可移动电子。
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发电厂并不是把某一群电子一路送到用户。实际过程是:
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1. 发电机建立电磁场。
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2. 电磁场沿电路传播。
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3. 导体内的局部电子开始运动。
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4. 能量被传递给负荷。
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在交流系统中,电子通常只是在大致相同的平均位置附近来回振荡。
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这里涉及两种不同的速度:
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- **电子漂移速度:** 相对较慢
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- **电磁传播速度:** 非常快,通常是光速的相当一部分
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电磁能流可用坡印廷矢量表示:
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\[
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|
\mathbf{S} = \mathbf{E} \times \mathbf{H}
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\]
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|
其中:
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- \(\mathbf{E}\) 为电场
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- \(\mathbf{H}\) 为磁场
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- \(\mathbf{S}\) 表示能量流动的方向与速率
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导体为把能量送向负荷的电磁场提供引导。
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## 6. 交流电路中的相位
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两个交流波形的峰值和过零点同时出现时,称为 **同相** 。
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一个波形超前或滞后于另一个波形时,称为 **不同相** 。
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### 纯电阻
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对于理想电阻:
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\[
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|
v(t) = i(t)R
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\]
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|
电压与电流同相。
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### 纯电感
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对于理想电感:
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- 电压超前电流 \(90^\circ\)
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|
- 电流滞后电压 \(90^\circ\)
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### 纯电容
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|
对于理想电容:
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- 电流超前电压 \(90^\circ\)
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|
- 电压滞后电流 \(90^\circ\)
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## 7. 电阻、电抗与阻抗
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### 7.1 电阻
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电阻阻碍电流,并把电能转化为热量。
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\[
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P_{\text{loss}} = I^2R
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\]
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电阻的单位是欧姆。
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### 7.2 电抗
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电抗是电场或磁场储能对交流电造成的阻碍。
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它来自:
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- 电感
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- 电容
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与理想电阻不同,理想电抗不永久消耗平均有功功率,而是暂时储存能量并将其返还电路。
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### 7.3 阻抗
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阻抗是对交流电的总阻碍。
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\[
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||||||
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Z = R + jX
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\]
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|
其中:
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- \(Z\) 为阻抗
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|
- \(R\) 为电阻
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|
- \(X\) 为电抗
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- \(j\) 表示 \(90^\circ\) 的相移
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在交流电路中,欧姆定律写作:
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\[
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\underline{I} = \frac{\underline{V}}{Z}
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\]
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||||||
|
下划线表示相量。
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### 示例
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若某条线路的阻抗为:
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\[
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Z = 2 + j8\ \Omega
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\]
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则:
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- 电阻为 \(2\ \Omega\)
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- 感抗为 \(8\ \Omega\)
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阻抗的模为:
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\[
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||||||
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|Z| = \sqrt{2^2 + 8^2} \approx 8.25\ \Omega
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\]
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||||||
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|
由于电抗远大于电阻,该线路以感性为主。
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## 8. 电感
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电感通常由线圈构成,在磁场中储存能量。
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其核心特性是:
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> 电感阻碍电流的变化。
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### 8.1 电感如何工作
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电流流过导线时会产生磁场。
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把导线绕成线圈,可以增强并集中磁场。
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|
电流变化会引起磁场变化,变化的磁场又会产生一个阻碍原有变化的感应电压,这就是楞次定律。
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|
基本关系为:
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\[
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||||||
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v_L = L\frac{di}{dt}
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\]
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||||||
|
|
||||||
|
其中:
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||||||
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||||||
|
- \(v_L\) 为电感电压
|
||||||
|
- \(L\) 为电感量,单位为亨利
|
||||||
|
- \(di/dt\) 为电流变化率
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||||||
|
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|
### 8.2 直流特性
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|
刚接入直流电源时,电感会阻碍电流突然上升。
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在串联 RL 电路中:
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\[
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||||||
|
i(t) = \frac{V}{R}\left(1-e^{-tR/L}\right)
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||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
时间常数为:
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||||||
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||||||
|
\[
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||||||
|
\tau = \frac{L}{R}
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||||||
|
\]
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||||||
|
|
||||||
|
电流稳定后:
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||||||
|
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||||||
|
\[
|
||||||
|
\frac{di}{dt}=0
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||||||
|
\]
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||||||
|
|
||||||
|
因此:
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||||||
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\[
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||||||
|
v_L = 0
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||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
此时,理想电感对稳态直流相当于短路。
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||||||
|
|
||||||
|
### 8.3 电感断电
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||||||
|
电流突然中断时,正在消失的磁场会产生试图维持原有电流的电压。
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||||||
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|
这可能造成:
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|
- 火花
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- 电弧
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- 高压暂态
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- 开关或晶体管损坏
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|
||||||
|
续流二极管等保护器件可为电流提供安全通路。
|
||||||
|
|
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|
### 8.4 储存的能量
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||||||
|
电感在磁场中储存能量:
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||||||
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\[
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||||||
|
W_L = \frac{1}{2}LI^2
|
||||||
|
\]
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||||||
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|
||||||
|
### 8.5 感抗
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||||||
|
对于正弦交流电:
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|
\[
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||||||
|
X_L = 2\pi fL
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||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
在以下情况下,感抗增大:
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||||||
|
|
||||||
|
- 频率升高
|
||||||
|
- 电感量增大
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|
|
||||||
|
理想电感的阻抗为:
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||||||
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||||||
|
\[
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||||||
|
Z_L = j\omega L
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||||||
|
\]
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||||||
|
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### 8.6 电网中的电感
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|
即使没有明显的线圈,电网设备也具有电感。
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||||||
|
例如:
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- 输电线路
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|
- 变压器
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|
- 电机
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|
- 发电机
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|
- 电抗器
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||||||
|
电力系统中的电抗器是大型电感,用于:
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||||||
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|
||||||
|
- 限制故障电流
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||||||
|
- 控制电压
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|
- 吸收无功功率
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|
- 减小暂态过程
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||||||
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||||||
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---
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|
## 9. 电容
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|
电容在电场中储存能量。
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||||||
|
其核心特性是:
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||||||
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> 电容阻碍电压的变化。
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||||||
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### 9.1 结构
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基本电容器由两块导体极板和其间的绝缘介质组成。
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||||||
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\[
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||||||
|
\text{极板} \; | \; \text{介质} \; | \; \text{极板}
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||||||
|
\]
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||||||
|
|
||||||
|
介质可以是空气、陶瓷、塑料薄膜、氧化物或其他绝缘材料。
|
||||||
|
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||||||
|
### 9.2 电荷与电压
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||||||
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|
||||||
|
储存的电荷为:
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||||||
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||||||
|
\[
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||||||
|
Q = CV
|
||||||
|
\]
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||||||
|
|
||||||
|
其中:
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||||||
|
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||||||
|
- \(Q\) 为电荷
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||||||
|
- \(C\) 为电容量,单位为法拉
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||||||
|
- \(V\) 为电压
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||||||
|
|
||||||
|
对于理想平行板电容器:
|
||||||
|
|
||||||
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\[
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||||||
|
C = \frac{\varepsilon A}{d}
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
在以下情况下,电容量增大:
|
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||||||
|
- 极板面积增大
|
||||||
|
- 极板间距减小
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||||||
|
- 介质介电常数增大
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||||||
|
|
||||||
|
### 9.3 电流—电压关系
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||||||
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||||||
|
电容的基本方程为:
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||||||
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||||||
|
\[
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||||||
|
i = C\frac{dv}{dt}
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
电容两端电压变化时,就会有电流流动。
|
||||||
|
|
||||||
|
有限电流只能以有限速率改变电容电压,因此理想电路中的电容电压不能瞬间跳变。
|
||||||
|
|
||||||
|
### 9.4 直流充电
|
||||||
|
|
||||||
|
未充电的电容通过电阻接入直流电源时:
|
||||||
|
|
||||||
|
\[
|
||||||
|
v_C(t) = V\left(1-e^{-t/RC}\right)
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
并且:
|
||||||
|
|
||||||
|
\[
|
||||||
|
i(t) = \frac{V}{R}e^{-t/RC}
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
||||||
|
时间常数为:
|
||||||
|
|
||||||
|
\[
|
||||||
|
\tau = RC
|
||||||
|
\]
|
||||||
|
|
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电容充满后,电压保持恒定,因此:
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\[
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\frac{dv}{dt}=0
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\]
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从而:
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\[
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i=0
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\]
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理想电容对稳态直流相当于开路。
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### 9.5 储存的能量
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电容在电场中储存能量:
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\[
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W_C = \frac{1}{2}CV^2
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\]
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### 9.6 容抗
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对于正弦交流电:
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\[
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X_C = \frac{1}{2\pi fC}
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\]
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在以下情况下,容抗减小:
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- 频率升高
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- 电容量增大
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理想电容的阻抗为:
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\[
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Z_C = \frac{1}{j\omega C} = -jX_C
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\]
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### 9.7 电网中的电容
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电网中的电容存在于:
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- 输电线路
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- 地下电缆
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- 电容器组
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- 串联补偿设备
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- 并联补偿设备
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电容器组用于:
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- 支撑电压
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- 就地提供无功功率
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- 改善功率因数
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- 降低线路电流
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- 减少 \(I^2R\) 损耗
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串联电容器抵消一部分线路感抗:
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\[
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X_{\text{net}} = X_L - X_C
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\]
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并联电容器接在母线上,用于支撑母线电压。
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## 10. 电感与电容对比
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| 特性 | 电感 | 电容 |
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| 储能场所 | 磁场 | 电场 |
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| 阻碍其变化的量 | 电流 | 电压 |
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| 基本方程 | \(v=L\,di/dt\) | \(i=C\,dv/dt\) |
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| 稳态直流特性 | 理想情况下短路 | 理想情况下开路 |
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| 交流相位关系 | 电流滞后电压 | 电流超前电压 |
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| 频率升高时的电抗 | 增大 | 减小 |
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| 理想阻抗 | \(j\omega L\) | \(1/(j\omega C)\) |
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## 11. 电流反向时,功率为何仍可流向负荷
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对于纯电阻:
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\[
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v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)
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\]
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\[
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i(t)=I_{\text{peak}}\sin(\omega t)
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\]
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瞬时功率为:
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\[
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p(t)=v(t)i(t)
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\]
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因此:
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\[
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p(t)=V_{\text{peak}}I_{\text{peak}}\sin^2(\omega t)
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\]
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由于 \(\sin^2(\omega t)\) 永不为负,电阻在交流周期的两个半周都吸收能量。
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当电压和电流同时反向时,两者乘积仍为正。
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对于理想电感和电容,功率会在正值与负值之间交替,因为能量不断被储存并返还。
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## 12. 基尔霍夫定律
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基尔霍夫定律描述电气网络必须遵守的基本守恒规则。
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### 12.1 基尔霍夫电流定律
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在任意节点或母线上:
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\[
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\sum I_{\text{流入}} = \sum I_{\text{流出}}
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\]
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电流不能在理想节点上积聚。
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在电力系统中,这体现为每条母线上的有功和无功平衡。
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简化的有功平衡为:
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\[
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P_{\text{发电}} - P_{\text{负荷}}
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=
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P_{\text{送出}} + P_{\text{损耗}}
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\]
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无功功率也有类似的平衡方程。
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### 12.2 基尔霍夫电压定律
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沿任意闭合回路:
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\[
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\sum V = 0
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\]
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所有电压升之和等于所有电压降之和。
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对于输电线路:
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\[
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\underline{V}_1 - \underline{V}_2 = \underline{I}Z
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\]
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其中:
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- \(\underline{V}_1\) 和 \(\underline{V}_2\) 为母线电压相量
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- \(\underline{I}\) 为线路电流
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- \(Z\) 为线路阻抗
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### 12.3 在电网分析中的作用
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结合使用基尔霍夫两条定律,工程师可以计算:
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- 母线电压
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- 线路电流
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- 有功潮流
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- 无功潮流
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- 损耗
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- 故障电流
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它们是以下分析的基础:
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- 潮流分析
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- 短路分析
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- 稳定性分析
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- 保护设计
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## 13. 功率如何在交流电网中流动
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在互联交流网络中,功率会在所有可用路径之间分配。
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功率分布取决于:
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- 线路电阻
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- 线路电抗
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- 母线电压幅值
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- 电压相角
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- 网络连接关系
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低阻抗路径通常比高阻抗路径承载更多电流。
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高压输电系统的感抗通常大于电阻,因此有功潮流很大程度上受母线间相角差影响。
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电网调度机构通过以下方式影响潮流:
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- 调整发电机出力
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- 投切输电线路
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- 调整变压器分接头
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- 投切电容器组或电抗器
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- 使用电力电子控制器
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## 14. 核心心智模型
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### 交流电
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\[
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\text{发电机旋转}
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\rightarrow
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|
\text{交变电压}
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||||||
|
\rightarrow
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||||||
|
\text{交变电流}
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||||||
|
\rightarrow
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||||||
|
\text{能量传输}
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\]
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### 电感
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\[
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||||||
|
\text{电流变化}
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\rightarrow
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|
\text{磁场变化}
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|
\rightarrow
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||||||
|
\text{产生感应电压}
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|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{阻碍电流变化}
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|
\]
|
||||||
|
|
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|
### 电容
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||||||
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||||||
|
\[
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||||||
|
\text{电压变化}
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||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{电荷移动}
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||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{电场变化}
|
||||||
|
\rightarrow
|
||||||
|
\text{产生电流}
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|
\]
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||||||
|
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|
### 电网分析
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\[
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||||||
|
\text{网络模型}
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|
+
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|
\text{阻抗}
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|
+
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|
\text{基尔霍夫定律}
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|
\rightarrow
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||||||
|
\text{电压、电流与潮流}
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\]
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## 15. 总结
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电网是把电能从发电机输送到负荷的互联交流网络。
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最重要的概念包括:
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- 高电压可以降低输电电流和电阻损耗。
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- 交流电压与电流周期性反转方向。
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- 电能由导体引导的电磁场传输。
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- 电阻消耗有功功率。
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- 电感在磁场中储能,并阻碍电流变化。
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- 电容在电场中储能,并阻碍电压变化。
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- 阻抗由电阻与电抗共同组成。
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- 基尔霍夫电流定律约束母线处的平衡。
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- 基尔霍夫电压定律约束回路中的电压一致性。
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- 这些原理构成潮流、故障和稳定性分析的基础。
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