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​ = 480 VIL​ = ?M30 kW, η = 88%cos φ = 0.88

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 88%,功率因数为 0.88(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 88%cos φ = 0.88VL = 480 V
IL = A
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)、60 Hz 的电源取用 50 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(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 = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
2 ΩN1​N2​128 Ω

一台输出电阻为 128 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 2 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 128 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 128 ΩRL = 2 Ω
a =
4.变压器困难
150 kVA

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 450 W,额定负载下铜损为 900 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
120 VZ5 + j12 ΩI

一个阻抗为 Z = 5 + j12 Ω 的负载接在 120 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 120 VZ = 5 + j12 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
100 V50 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

一个 100 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 2 + j5 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 获得最大功率的负载由一个电阻与一个电容串联构成。求电容 C。

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j5 Ω
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 20 ΩL = 200 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 200 mH
|Z| = Ω
8.交流阻抗和相量困难
100 V200 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩC = 100 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 100 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 100 V (rms)f = 200 HzR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩC = 100 µF
I = A
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

某直流电机在 1000 rpm 下输出 1 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1 kWn = 1000 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−220 VD = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 750 rpmT = 80 N·m

某直流斩波器从 220 V 直流母线给电机(k = 2 V·s/rad,Ra = 0.2 Ω)供电。平均电枢电压为 D·220 V。求使电机在 80 N·m 负载下以 750 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 80 N·mn = 750 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: IL = 46.6 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 = 30/0.88 = 34.09 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 34091/(√3·480·0.88) = 46.6 A

答案

IL = 46.6 A
2.三相电

答案: Cph = 30.09 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 = 50·tan(acos 0.8) = 50·0.75 = 37.5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.92) = 50·0.426 = 21.3 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 16.2 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 = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5400/(377·690²) = 30.09 µF

答案

Cph = 30.09 µF
3.变压器

答案: a = 8

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。

匹配折算负载

a²·2 = 128
a = √(128/2) = √64 = 8

答案

a = 8
4.变压器

答案: Sη,max = 106.1 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

x²·900 = 450 → x = √(450/900) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·150 = 106.1 kVA

答案

Sη,max = 106.1 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 1022 var

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。

电流

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9.231 A

无功功率

Q = I²·X = 9.231²·12 = 1022 var

答案

Q = 1022 var
6.交流功率和功率因数

答案: C = 636.6 µF

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 2 − j5 Ω

电容

XC = 5 Ω → C = 1/(2π·50·5) = 636.6 µF

答案

C = 636.6 µF
7.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 19.33 Ω

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 = ωL = 2π·60·0.2 = 75.4 Ω

支路电流

两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。

IR = V/R = 120/20 = 6 A
IX = V/XL = 120/75.4 = 1.592 A

总电流

电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。

I = √(IR² + IX²) = √(6² + 1.592²) = 6.207 A

阻抗

|Z| = V/I = 120/6.207 = 19.33 Ω

答案

|Z| = 19.33 Ω
8.交流阻抗和相量

答案: I = 4.311 A

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

XC = 1/(2π·200·100·10⁻⁶) = 7.958 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 1.972 − j7.435 Ω

总阻抗

Z = 20 + 1.972 − j7.435 = 21.97 − j7.435 Ω
|Z| = √(21.97² + 7.435²) = 23.2 Ω

电流

I = V/|Z| = 100/23.2 = 4.311 A

答案

I = 4.311 A
9.直流电机

答案: T = 9.549 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·1000/60 = 104.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1000/104.7 = 9.549 N·m

答案

T = 9.549 N·m
10.直流电机

答案: D = 75.04 %

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 = 2·78.54 + 40·0.2 = 165.1 V

占空比

D = 165.1/220 = 75.04 %

答案

D = 75.04 %

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