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 22 kW. При этой нагрузке его КПД равен 90%, а коэффициент мощности 0,84 (отстающий). Линейное напряжение сети 480 V. Найдите линейный ток I_L.

P_out = 22 kWη = 90%cos φ = 0,84V_L = 480 V

I_L = A

2.Трёхфазная мощностьСложная

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,7 (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. Найдите полную реактивную мощность Q_C, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 50 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,92V_L = 415 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

3.ТрансформаторыСредняя

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 20:1 приложено 4800 V. К вторичной обмотке подключён резистор 10 Ω. Найдите первичный ток I₁.

N₁:N₂ = 20:1V₁ = 4800 VR_L = 10 Ω

I₁ = A

4.ТрансформаторыСложная

Однофазный трансформатор 50 kVA имеет потери в стали 200 W и потери в меди 400 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери P_loss в ваттах при этой нагрузке.

S = 50 kVAP_core = 200 WP_cu,fl = 400 Wx = 0,75pf = 0,85

P_loss = W

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя

Однофазный двигатель потребляет 21 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите ток линии I.

P = 21 kWpf = 0,85V = 400 V

I = A

6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная

Источник 12 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Z_s = 8 + j30 Ω. Полное сопротивление нагрузки Z_L можно выбирать произвольно. Нагрузка для максимальной мощности составлена из резистора, соединённого последовательно с конденсатором. Найдите ёмкость C.

V_s = 12 V (rms)f = 60 HzZ_s = 8 + j30 Ω

C = µF

7.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательный RLC-контур с L = 200 mH должен резонировать на частоте 60 Hz. Найдите необходимую ёмкость C.

f₀ = 60 HzL = 200 mH

C = µF

8.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательный RLC-контур имеет R = 20 Ω, L = 2 mH и C = 0,1 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 20 ΩL = 2 mHC = 0,1 µF

Q =

9.Двигатели постоянного токаСредняя

Двигатель постоянного тока с k = 1,5 V·s/rad работает от 240 V. Пренебрегая всеми потерями на холостом ходу, найдите его скорость холостого хода n₀ в rpm.

V = 240 Vk = 1,5 V·s/rad

n₀ = rpm

10.Двигатели постоянного токаСложная

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 120 V (R_a = 1 Ω) вращается со скоростью 900 rpm при токе якоря 10 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 15 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n₂.

V = 120 VR_a = 1 Ωn₁ = 900 rpmI_a1 = 10 AI_a2 = 15 A

n₂ = rpm

3Растворы

1.Трёхфазная мощность

Ответ: I_L = 35 A

Потребляемая электрическая мощность

P_in = P_out/η = 22/0,9 = 24,44 kW

Ток линии

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 24444/(√3·480·0,84) = 35 A

Ответ

I_L = 35 A

2.Трёхфазная мощность

Ответ: Q_C = 29,71 kvar

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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar

Q₂ = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

Q_C = Q₁ − Q₂ = 29,71 kvar

Ответ

Q_C = 29,71 kvar

3.Трансформаторы

Ответ: I₁ = 1,2 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.

Вторичные напряжение и ток

V₂ = 4800/20 = 240 V

I₂ = 240/10 = 24 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/20 = 1,2 A

Ответ

I₁ = 1,2 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·R_L = 4000 Ω, и 4800/4000 даёт тот же ток.

4.Трансформаторы

Ответ: P_loss = 425 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 = 0,5625·400 = 225 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

P_loss = 200 + 225 = 425 W

Ответ

P_loss = 425 W

КПД при этой нагрузке η = 98,68%.

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 61,76 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) = 21000/(400·0,85) = 61,76 A

Ответ

I = 61,76 A

6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 88,42 µF

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

Z_L = Z_s* = 8 − j30 Ω

Ёмкость

X_C = 30 Ω → C = 1/(2π·60·30) = 88,42 µF

Ответ

C = 88,42 µF

7.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: C = 35,18 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·60 = 377 rad/s

C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,2) = 35,18 µF

Ответ

C = 35,18 µF

8.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 7,071

Резонансная частота

f₀ = 1/(2π·√(0,002·0,1·10⁻⁶)) = 11254 Hz

Добротность

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,002/(0,1·10⁻⁶)) = 7,071

Ответ

Q = 7,071

9.Двигатели постоянного тока

Ответ: n₀ = 1528 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.

Скорость холостого хода

ω₀ = V/k = 240/1,5 = 160 rad/s

n₀ = 60·160/(2π) = 1528 rpm

Ответ

n₀ = 1528 rpm

10.Двигатели постоянного тока

Ответ: n₂ = 859,1 rpm

Противо-ЭДС до и после

E₁ = 120 − 10·1 = 110 V

E₂ = 120 − 15·1 = 105 V

Новая скорость

n₂ = 900·105/110 = 859,1 rpm

Ответ

n₂ = 859,1 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems