Электроэнергетика и электрические машины: шпаргалка-пакет

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

Новые задачиНазад к курсу

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

1Формулы и методы

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/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·ZL
Потери в меди при неполной нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl
КПД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальный КПД
x = √(Pcore/Pcu,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
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 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

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. 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 + IaRa
Противо-ЭДС и момент
E = k·ω, T = k·Ia
Скорость
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Скорость холостого хода и момент при заторможенном роторе
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Мощности
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулирование скорости
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальная развиваемая мощность
Pmax = V²/(4Ra)
Привод с прерывателем
Va = D·Vdc

Метод

  1. Нарисуйте цепь якоря: источник V, сопротивление Ra и противо-ЭДС E включены последовательно.
  2. Используйте V = E + Ia·Ra, чтобы связать напряжение, ток и противо-ЭДС.
  3. Используйте E = k·ω для скорости и T = k·Ia для момента, где ω = 2π·n/60.
  4. Для мощности и КПД начните с V·Ia, вычтите потери в меди Ia²·Ra, а затем потери на вращение.

2Тренировочные задачи

1.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = 15 Acos φ = 0,9отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 15 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 480 VIL = 15 Acos φ = 0,9
P = kW
2.Трёхфазная мощностьСложная
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 300 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 300 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.ТрансформаторыСредняя
16 ΩN1​N2​576 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 576 Ω питает громкоговоритель 16 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 576 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 576 ΩRL = 16 Ω
a =
4.ТрансформаторыСложная
pf 0,8500 kVA, η = 98,8%

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 2500 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) его КПД равен 98,8%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 500 kVAPcore = 2500 Wpf = 0,8η = 98,8%
Pcu,fl = W
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 10 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 10 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.

P = 10 kWpf = 0,75V = 230 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 10 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.

P = 10 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 200 HzRL = 10 mHC = ?

Последовательный RLC-контур с L = 10 mH должен резонировать на частоте 200 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.

f0 = 200 HzL = 10 mH
C = µF
8.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 50 ΩL = 2 mHC = 0,01 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 50 Ω, L = 2 mH и C = 0,01 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.

R = 50 ΩL = 2 mHC = 0,01 µF
B = Hz
9.Двигатели постоянного токаСредняя
T (N·m)n (rpm)60 N·mn0​n = ?

Двигатель постоянного тока (k = 2 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) работает от 240 V и приводит нагрузку с моментом 60 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 240 Vk = 2 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 60 N·m
n = rpm
10.Двигатели постоянного токаСложная
+−110 VRa​ = 0,5 ΩIa​: 10 → 4 AM+−En = ?T

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 110 V (Ra = 0,5 Ω) вращается со скоростью 1440 rpm при токе якоря 10 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 4 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n2.

V = 110 VRa = 0,5 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 10 AIa2 = 4 A
n2 = rpm

3Растворы

1.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 11,22 kW

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Полная мощность

S = √3·VL·IL = √3·480·15 = 12,47 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 12,47·0,9 = 11,22 kW

Ответ

P = 11,22 kW
2.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 532,9 µF

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√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 = 300·tan(acos 0,8) = 300·0,75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 79,7 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 26568/(314,2·398,4²) = 532,9 µF

Ответ

Cph = 532,9 µF
3.Трансформаторы

Ответ: a = 6

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.

Согласуйте приведённую нагрузку

a²·16 = 576
a = √(576/16) = √36 = 6

Ответ

a = 6
4.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 2358 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·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.

Выходная и потребляемая мощность

Pout = 500·0,8 = 400 kW
Pin = 400000/0,988 = 404858 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 404858 − 400000 = 4858 W
Pcu,fl = 4858 − 2500 = 2358 W

Ответ

Pcu,fl = 2358 W
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 57,97 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.

Ток линии

Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.

I = P/(V·cos φ) = 10000/(230·0,75) = 57,97 A

Ответ

I = 57,97 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 45,29 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 до и после

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

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(53,13°) = 13,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23,07°) = 4,26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,073 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(240·0,92) = 45,29 A

Ответ

Inew = 45,29 A
7.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: C = 63,33 µF

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|.

Условие резонанса

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,01) = 63,33 µF

Ответ

C = 63,33 µF
8.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: B = 3979 Hz

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|.

Резонансная частота

f0 = 1/(2π·√(0,002·0,01·10⁻⁶)) = 35588 Hz

Добротность

Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,002/(0,01·10⁻⁶)) = 8,944

Полоса пропускания

B = f0/Q = 35588/8,944 = 3979 Hz

Ответ

B = 3979 Hz
9.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 1110 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, 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·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Ток якоря

Ia = T/k = 60/2 = 30 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 240 − 30·0,25 = 232,5 V
ω = E/k = 116,3 rad/s → n = 1110 rpm

Ответ

n = 1110 rpm
10.Двигатели постоянного тока

Ответ: n2 = 1481 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, 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·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Противо-ЭДС до и после

E1 = 110 − 10·0,5 = 105 V
E2 = 110 − 4·0,5 = 108 V

Новая скорость

n2 = 1440·108/105 = 1481 rpm

Ответ

n2 = 1481 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems