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​ = 10 Acos φ = 0.75滞后

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 10 A 的线电流,功率因数为 0.75(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 10 Acos φ = 0.75
P = kW
2.三相电困难
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 250 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 250 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
2400 V240 VIHV​ILV​ = ?50 kVA

一台单相 50 kVA、2400/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求低压绕组中的电流 ILV。

S = 50 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
4.变压器困难
pf 0.875 kVA, η = 99%

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 375 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 99%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0.8η = 99%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 1020 W5 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 5 A 和 1020 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 5 AP = 1020 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 30 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 30 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
24 V60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 22 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 1 ΩL = 5 mHC = 10 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 1 Ω,L = 5 mH,C = 10 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 1 ΩL = 5 mHC = 10 µF
Q =
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 240 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 = 240 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 1.2 Ω60 AM+−E = 0n = 0T

某 220 V 直流电机的电枢电阻为 1.2 Ω。求把起动电流限制在 60 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 220 VRa = 1.2 ΩImax = 60 A
Rst = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 6.235 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 = √3·480·10 = 8.314 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 8.314·0.75 = 6.235 kW

答案

P = 6.235 kW
2.三相电

答案: Cph = 1542 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 = 250·tan(acos 0.7) = 250·1.02 = 255.1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 134 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 44657/(377·277.1²) = 1542 µF

答案

Cph = 1542 µF
3.变压器

答案: ILV = 208.3 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。

ILV = S/V = 50000/240 = 208.3 A

答案

ILV = 208.3 A
4.变压器

答案: Pcu,fl = 231.1 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。

输出功率和输入功率

Pout = 75·0.8 = 60 kW
Pin = 60000/0.99 = 60606 W

总损耗和铜损

Ploss = 60606 − 60000 = 606.1 W
Pcu,fl = 606.1 − 375 = 231.1 W

答案

Pcu,fl = 231.1 W
5.交流功率和功率因数

答案: R = 40.8 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 = 1020/5² = 40.8 Ω

答案

R = 40.8 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 17.83 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。

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 = 30·tan(45.57°) = 30.61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23.07°) = 12.78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17.83 kvar

答案

QC = 17.83 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.8849

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 = 94.25 Ω, XC = 120.6 Ω

阻抗

|Z| = √(50² + (−26.32)²) = 56.51 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 50/56.51 = 0.8849
电路是容性的,所以功率因数超前。

答案

cos φ = 0.8849
8.交流阻抗和相量

答案: Q = 22.36

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·√(0.005·10·10⁻⁶)) = 711.8 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) = (1/1)·√(0.005/(10·10⁻⁶)) = 22.36

答案

Q = 22.36
9.直流电机

答案: n0 = 2865 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 = 240/0.8 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm

答案

n0 = 2865 rpm
10.直流电机

答案: Rst = 2.467 Ω

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。

总电阻

Ra + Rst = 220/60 = 3.667 Ω

起动电阻

Rst = 3.667 − 1.2 = 2.467 Ω

答案

Rst = 2.467 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

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