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​ = 690 VIL​ = 100 Acos φ = 0.8滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 100 A 的线电流,功率因数为 0.8(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 100 Acos φ = 0.8
P = kW
2.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.78(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
4160 V480 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

一台单相 500 kVA、4160/480 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 = 500 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
4.变压器困难
100 kVA

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 500 W,额定负载下铜损为 2000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 2000 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 17 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 17 kW,功率因数为 0.75(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 17 kWpf = 0.75V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、50 Hz 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求新的线路电流 Inew。

P = 5 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = 100 mHC = ?

一个 L = 100 mH 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电容 C。

f0 = 100 HzL = 100 mH
C = µF
8.交流阻抗和相量困难
120 V100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

某直流电机的 k = 0.8 V·s/rad,由 110 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 110 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 4 Ω,由 120 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 120 VRa = 4 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: P = 95.61 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·690·100 = 119.5 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 119.5·0.8 = 95.61 kW

答案

P = 95.61 kW
2.三相电

答案: Cph = 496.7 µF

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 = 150·tan(acos 0.78) = 150·0.8023 = 120.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 89.88 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 29961/(377·400²) = 496.7 µF

答案

Cph = 496.7 µF
3.变压器

答案: IHV = 120.2 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 = 500000/4160 = 120.2 A

答案

IHV = 120.2 A
4.变压器

答案: Sη,max = 50 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

x²·2000 = 500 → x = √(500/2000) = 0.5

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5·100 = 50 kVA

答案

Sη,max = 50 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 14.99 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 = 17·0.8819 = 14.99 kvar

答案

Q = 14.99 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 23.63 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 = P·tan φ1 = 5·tan(53.13°) = 6.667 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23.07°) = 2.13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4.537 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(230·0.92) = 23.63 A

答案

Inew = 23.63 A
7.交流阻抗和相量

答案: C = 25.33 µF

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628.3²·0.1) = 25.33 µF

答案

C = 25.33 µF
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 261.2 V

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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (21.9)²) = 33.24 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/33.24 = 3.61 A

电容电压

VC = I·XC = 3.61·72.34 = 261.2 V

答案

VC = 261.2 V
9.直流电机

答案: n0 = 1313 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。

空载转速

ω₀ = V/k = 110/0.8 = 137.5 rad/s
n0 = 60·137.5/(2π) = 1313 rpm

答案

n0 = 1313 rpm
10.直流电机

答案: Pmax = 900 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·4) = 900 W

答案

Pmax = 900 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

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