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​ = 400 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 94%cos φ = 0.88

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.88(滞后)。电源线电压为 400 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 94%cos φ = 0.88VL = 400 V
IL = A
2.三相电困难
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 200 kW,功率因数为 0.75(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 = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

一台单相 150 kVA、10000/400 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 150 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
4.变压器困难
pf 0.8575 kVA, 50% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 2400 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 782 W4 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 4 A 和 782 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 4 AP = 782 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 27 kWQ1​S1​φ

一台 50 kVA 的单相变压器为一个 27 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 50 kVAP1 = 27 kWpf1 = 0.85
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
24 V200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 100 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 100 Ω,L = 20 mH,C = 0.22 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 100 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF
Q =
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 2000 rpmT = ?

某直流电机在 2000 rpm 下输出 7.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 7.5 kWn = 2000 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−110 VD = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 400 rpmT = 2.4 N·m

某直流斩波器从 110 V 直流母线给电机(k = 0.2 V·s/rad,Ra = 0.2 Ω)供电。平均电枢电压为 D·110 V。求使电机在 2.4 N·m 负载下以 400 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 110 Vk = 0.2 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 2.4 N·mn = 400 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: IL = 13.09 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 7.5/0.94 = 7.979 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7979/(√3·400·0.88) = 13.09 A

答案

IL = 13.09 A
2.三相电

答案: QC = 110.6 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 110.6 kvar

答案

QC = 110.6 kvar
3.变压器

答案: IHV = 15 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。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

IHV = S/V = 150000/10000 = 15 A

答案

IHV = 15 A
4.变压器

答案: Ploss = 1200 W

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。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·2400 = 600 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 600 = 1200 W

答案

Ploss = 1200 W

此负载下的效率为 η = 96.37%。

5.交流功率和功率因数

答案: X = 30.29 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 782/4² = 48.88 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/4 = 57.5 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(57.5² − 48.88²) = 30.29 Ω

答案

X = 30.29 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 20.12 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 27·tan(arccos 0.85) = 16.73 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 16.73²) = 47.12 kW

增加的有功功率

ΔP = 47.12 − 27 = 20.12 kW

答案

ΔP = 20.12 kW
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 82.56 °

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

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.25 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7.958 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (306.2)²) = 308.8 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(306.2/40) = 82.56°

答案

φ = 82.56°
8.交流阻抗和相量

答案: Q = 3.015

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·√(0.02·0.22·10⁻⁶)) = 2399 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) = (1/100)·√(0.02/(0.22·10⁻⁶)) = 3.015

答案

Q = 3.015
9.直流电机

答案: T = 35.81 N·m

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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·2000/60 = 209.4 rad/s

扭矩

T = P/ω = 7500/209.4 = 35.81 N·m

答案

T = 35.81 N·m
10.直流电机

答案: D = 9.798 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.2·41.89 + 12·0.2 = 10.78 V

占空比

D = 10.78/110 = 9.798 %

答案

D = 9.798 %

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