Электроэнергетика и электрические машины: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Соединение треугольником (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Полная активная мощность: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Полная и реактивная мощность: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе: Δ: V_L Y: V_L/√3
Потребляемая мощность двигателя: P_in = P_out/η

Трансформаторы

Коэффициент трансформации: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Отношение токов: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Номинальный ток: I = S/V
Приведённое сопротивление: Z₁′ = a²·Z_L
Потери в меди при неполной нагрузке: P_cu = x²·P_cu,fl
КПД: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
Максимальный КПД: x = √(P_core/P_cu,fl)

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность: P = V·I·cos φ
Реактивная мощность: Q = V·I·sin φ
Полная мощность: S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности: pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Угловая частота: ω = 2πf
Модуль и угол: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме: V = I·Z

Метод

Переведите частоту: ω = 2πf.
Найдите каждое реактивное сопротивление: X_L = ωL и X_C = 1/(ωC).
Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Двигатели постоянного тока

Цепь якоря: V = E + I_aR_a
Противо-ЭДС и момент: E = k·ω, T = k·I_a
Скорость: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Скорость холостого хода и момент при заторможенном роторе: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Мощности: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Пуск: I_start = V/(R_a + R_st)
Регулирование скорости: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Максимальная развиваемая мощность: P_max = V²/(4R_a)
Привод с прерывателем: V_a = D·V_dc

Метод

Нарисуйте цепь якоря: источник V, сопротивление R_a и противо-ЭДС E включены последовательно.
Используйте V = E + I_a·R_a, чтобы связать напряжение, ток и противо-ЭДС.
Используйте E = k·ω для скорости и T = k·I_a для момента, где ω = 2π·n/60.
Для мощности и КПД начните с V·I_a, вычтите потери в меди I_a²·R_a, а затем потери на вращение.

2Тренировочные задачи

1.Трёхфазная мощностьСредняя

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 37 kW. При этой нагрузке его КПД равен 95%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток I_L.

P_out = 37 kWη = 95%cos φ = 0,9V_L = 690 V

I_L = A

2.Трёхфазная мощностьСложная

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 75 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость C_ph каждого конденсатора в µF.

P = 75 kWpf₁ = 0,8pf₂ = 0,92V_L = 415 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.ТрансформаторыСредняя

Однофазный трансформатор 250 kVA, 6600/230 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток I_LV в обмотке низшего напряжения.

S = 250 kVAV₁ = 6600 VV₂ = 230 V

I_LV = A

4.ТрансформаторыСложная

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 2000 W и потери в меди 6000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 25% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий). Найдите суммарные потери P_loss в ваттах при этой нагрузке.

S = 250 kVAP_core = 2000 WP_cu,fl = 6000 Wx = 0,25pf = 0,8

P_loss = W

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 23 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 19 kW при коэффициенте мощности 0,85 (ёмкостном). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.

V = 400 VP₁ = 23 kW, pf₁ = 0,7 отстающийP₂ = 19 kW, pf₂ = 0,85 опережающий

I = A

6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная

Однофазная нагрузка потребляет 25 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите новый ток линии I_new.

P = 25 kWpf₁ = 0,65pf₂ = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz

I_new = A

7.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 20 mH

I = A

8.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательный RLC-контур питается от источника 12 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение V_L на катушке.

V = 12 V (rms)R = 20 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

V_L = V

9.Двигатели постоянного токаСредняя

Двигатель постоянного тока (k = 0,4 N·m/A, R_a = 1 Ω) работает от 120 V и приводит нагрузку с моментом 4 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 120 Vk = 0,4 N·m/AR_a = 1 ΩT = 4 N·m

n = rpm

10.Двигатели постоянного токаСложная

Двигатель постоянного тока (k = 1 V·s/rad, R_a = 0,8 Ω) при фиксированном питании 220 V приводит нагрузку 10 N·m. Найдите последовательное сопротивление R_s, замедляющее его до 1200 rpm.

V = 220 Vk = 1 V·s/radR_a = 0,8 ΩT = 10 N·mn = 1200 rpm

R_s = Ω

3Растворы

1.Трёхфазная мощность

Ответ: I_L = 36,21 A

Потребляемая электрическая мощность

P_in = P_out/η = 37/0,95 = 38,95 kW

Ток линии

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 38947/(√3·690·0,9) = 36,21 A

Ответ

I_L = 36,21 A

2.Трёхфазная мощность

Ответ: C_ph = 374,3 µF

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, V_L = √3·V_ph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, I_L = √3·I_ph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Каждый из трёх конденсаторов даёт Q_C/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: V_L в батарее, соединённой треугольником, V_L/√3 — в батарее, соединённой звездой.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.

Q₁ = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar

Q₂ = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

Q_C = Q₁ − Q₂ = 24,3 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 8100/(377·239,6²) = 374,3 µF

Ответ

C_ph = 374,3 µF

3.Трансформаторы

Ответ: I_LV = 1087 A

Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

I_LV = S/V = 250000/230 = 1087 A

Ответ

I_LV = 1087 A

4.Трансформаторы

Ответ: P_loss = 2375 W

Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·P_cu,fl. КПД η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), где P_out = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.

Потери в меди при этой нагрузке

P_cu = x²·P_cu,fl = 0,0625·6000 = 375 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

P_loss = 2000 + 375 = 2375 W

Ответ

P_loss = 2375 W

КПД при этой нагрузке η = 95,47%.

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 109 A

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q₁ = 23·tan(arccos 0,7) = 23,46 kvar

Q₂ = −19·tan(arccos 0,85) = −11,78 kvar

Суммы

P = 23 + 19 = 42 kW

Q = 23,46 + (−11,78) = 11,69 kvar

S = √(42² + 11,69²) = 43,6 kVA

Общий ток

I = S/V = 43596/400 = 109 A

Ответ

I = 109 A

6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I_new = 120,8 A

Реактивная мощность до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q₁ = P·tan φ₁ = 25·tan(49,46°) = 29,23 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 25·tan(25,84°) = 12,11 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 17,12 kvar

Новый ток линии

I_new = P/(V·cos φ₂) = 25000/(230·0,9) = 120,8 A

Ответ

I_new = 120,8 A

7.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 19,93 A

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Реактивное сопротивление

X_L = ωL = 2π·60·0,02 = 7,54 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

I_R = V/R = 120/10 = 12 A

I_X = V/X_L = 120/7,54 = 15,92 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(I_R² + I_X²) = √(12² + 15,92²) = 19,93 A

Ответ

I = 19,93 A

8.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: V_L = 127,9 V

Резонанс

При резонансе реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2·10⁻⁶) = 2132 rad/s

I = V/R = 12/20 = 0,6 A

Напряжение на катушке

X_L = ω₀L = 2132·0,1 = 213,2 Ω

V_L = I·X_L = 0,6·213,2 = 127,9 V

Ответ

V_L = 127,9 V

Это в Q = 10,66 раз больше напряжения источника.

9.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 2626 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление R_a, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + I_a·R_a. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·I_a, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·I_a = T·ω; входная мощность равна V·I_a, а разницу составляют потери в меди I_a²R_a и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − R_a·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/R_a. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/R_a велик, если его не ограничивает резистор.

Ток якоря

I_a = T/k = 4/0,4 = 10 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 120 − 10·1 = 110 V

ω = E/k = 275 rad/s → n = 2626 rpm

Ответ

n = 2626 rpm

10.Двигатели постоянного тока

Ответ: R_s = 8,634 Ω

Ток и противо-ЭДС

I_a = 10/1 = 10 A

E = 1·125,7 = 125,7 V

Последовательное сопротивление

R_a + R_s = (220 − 125,7)/10 = 9,434 Ω

R_s = 8,634 Ω

Ответ

R_s = 8,634 Ω

Резистор рассеивает 863,4 W; прерыватель регулирует скорость с гораздо меньшими потерями.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems