电力系统与电机:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

变压器

匝数比
a = N1/N2 = V1/V2
电流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
额定电流
I = S/V
折算阻抗
Z1′ = a²·ZL
部分负载时的铜损
Pcu = x²·Pcu,fl
效率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最高效率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

交流阻抗和相量

阻抗
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
角频率
ω = 2πf
模和相角
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律
V = I·Z

方法

  1. 换算频率:ω = 2πf。
  2. 求各电抗:XL = ωL,XC = 1/(ωC)。
  3. 像电阻一样把阻抗相加,Z = R + jX。
  4. 求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R),再用相量形式的欧姆定律。

直流电机

电枢回路
V = E + IaRa
反电动势与转矩
E = k·ω, T = k·Ia
速率
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
空载转速与堵转转矩
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
各功率
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
起动
Istart = V/(Ra + Rst)
转速调整率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大电磁功率
Pmax = V²/(4Ra)
斩波驱动
Va = D·Vdc

方法

  1. 画出电枢回路:电源 V、电阻 Ra 和反电动势 E 串联。
  2. 用 V = E + Ia·Ra 把电压、电流和反电动势联系起来。
  3. 转速用 E = k·ω,转矩用 T = k·Ia,其中 ω = 2π·n/60。
  4. 对于功率和效率,从 V·Ia 出发,减去铜损 Ia²·Ra,再减去旋转损耗。

2练习题

1.三相电中等
ABCVL​ = 415 VNZ = 12 + j5 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j5 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 415 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VZ = 12 + j5 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 kW,功率因数为 0.72(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 50 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
RL​ = 60 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 5:1 的理想变压器,一次绕组加 600 V 电压。二次绕组两端接一个 60 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 60 Ω
I1 = A
4.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1800 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 14 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 14 kW,功率因数为 0.75(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 14 kWpf = 0.75V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
400 V60 Hz负载28 kW, 0.7C150 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、60 Hz 的电源吸取 28 kW,功率因数为 0.7(滞后)。一个 150 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 28 kWpf1 = 0.7V = 400 Vf = 60 HzC = 150 µF
I = A
7.交流阻抗和相量中等
50 V200 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 10 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 15 ΩL = 100 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 15 Ω,L = 100 mH,C = 0.1 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 15 ΩL = 100 mHC = 0.1 µF
Q =
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)0.3 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.15 N·m/A,Ra = 1.2 Ω)由 24 V 供电,带动 0.3 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 24 Vk = 0.15 N·m/ARa = 1.2 ΩT = 0.3 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−220 VRa​ = 0.4 ΩIa​: 20 → 40 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 220 V 供电(Ra = 0.4 Ω),在 1800 rpm 下运转,电枢电流为 20 A。负载变化后电流变为 40 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 220 VRa = 0.4 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 20 AIa2 = 40 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 12.23 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相电压

Vph = 415/√3 = 239.6 V

相电流

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 239.6/13 = 18.43 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·18.43²·12 = 12.23 kW

答案

P = 12.23 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.9231,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: QC = 31.76 kvar

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 50·tan(acos 0.72) = 50·0.9639 = 48.19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.95) = 50·0.3287 = 16.43 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 31.76 kvar

答案

QC = 31.76 kvar
3.变压器

答案: I1 = 0.4 A

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

二次电压和电流

V2 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/60 = 2 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/5 = 0.4 A

答案

I1 = 0.4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 1500 Ω,600/1500 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 43.3 kVA

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

铜损等于铁损

x²·1800 = 600 → x = √(600/1800) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·75 = 43.3 kVA

答案

Sη,max = 43.3 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 12.35 kvar

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

相角

φ = arccos(0.75) = 41.41°, tan φ = 0.8819

无功功率

Q = P·tan φ = 14·0.8819 = 12.35 kvar

答案

Q = 12.35 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: I = 85.33 A

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = 28·tan(arccos 0.7) = 28.57 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·150·10⁻⁶ = 9048 var = 9.048 kvar
Q2 = 28.57 − 9.048 = 19.52 kvar

新的视在功率

S2 = √(28² + 19.52²) = 34.13 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 34131/400 = 85.33 A

答案

I = 85.33 A
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.144

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

XL = 251.3 Ω, XC = 79.58 Ω

阻抗

|Z| = √(25² + (171.7)²) = 173.6 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 25/173.6 = 0.144
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.144
8.交流阻抗和相量

答案: Q = 66.67

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.1·0.1·10⁻⁶)) = 1592 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0.1/(0.1·10⁻⁶)) = 66.67

答案

Q = 66.67
9.直流电机

答案: n = 1375 rpm

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

电枢电流

Ia = T/k = 0.3/0.15 = 2 A

反电动势与转速

E = 24 − 2·1.2 = 21.6 V
ω = E/k = 144 rad/s → n = 1375 rpm

答案

n = 1375 rpm
10.直流电机

答案: n2 = 1732 rpm

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

变化前后的反电动势

E1 = 220 − 20·0.4 = 212 V
E2 = 220 − 40·0.4 = 204 V

新的转速

n2 = 1800·204/212 = 1732 rpm

答案

n2 = 1732 rpm

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