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​ = 208 VZ = 24 + j18 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j18 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 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 = 208 VZ = 24 + j18 Ω 每相
P = kW
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)、50 Hz 的电源取用 200 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 0.92(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 = 0.78pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
RL​ = 10 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 480 V 电压。二次绕组两端接一个 10 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 10 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.925 kVA, 25% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 150 W,额定负载下铜损为 300 W。 它以 0.9(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 300 Wx = 0.25pf = 0.9
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 1620 W9 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 9 A 和 1620 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 9 AP = 1620 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载22 kW, 0.8C150 µFI

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 22 kW,功率因数为 0.8(滞后)。一个 150 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 22 kWpf1 = 0.8V = 230 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
100 V50 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求从电源吸取的有功功率 P。

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
P = W
8.交流阻抗和相量困难
12 V200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF
VC = V
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 2900 rpmT = ?

某直流电机在 2900 rpm 下输出 0.75 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 0.75 kWn = 2900 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 0.4 ΩM+−En = ?T = 37.5 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 1.5 V·s/rad,Ra = 0.4 Ω,V = 240 V)带动 37.5 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 85 %。求新的转速 n。

V = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 0.4 ΩT = 37.5 N·mΦ = 85 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 3.461 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 = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 208/30 = 6.933 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 = 3·6.933²·24 = 3.461 kW

答案

P = 3.461 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: QC = 75.26 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 0.78) = 200·0.8023 = 160.5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.92) = 200·0.426 = 85.2 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 75.26 kvar

答案

QC = 75.26 kvar
3.变压器

答案: I1 = 12 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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 12 A

答案

I1 = 12 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 40 Ω,480/40 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 168.8 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 = 0.0625·300 = 18.75 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 150 + 18.75 = 168.8 W

答案

Ploss = 168.8 W

此负载下的效率为 η = 97.09%。

5.交流功率和功率因数

答案: R = 20 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 = 1620/9² = 20 Ω

答案

R = 20 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8522

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 = 22·tan(arccos 0.8) = 16.5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·150·10⁻⁶ = 2991 var = 2.991 kvar
Q2 = 16.5 − 2.991 = 13.51 kvar

新的视在功率

S2 = √(22² + 13.51²) = 25.82 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 22/25.82 = 0.8522

答案

cos φ = 0.8522
7.交流阻抗和相量

答案: P = 190 W

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 = 6.283 Ω, XC = 31.83 Ω

阻抗

|Z| = √(20² + (−25.55)²) = 32.45 Ω

有功功率

电感和电容只储存和释放能量;全部有功功率都由电阻吸收。

I = 100/32.45 = 3.082 A
P = I²·R = 3.082²·20 = 190 W

答案

P = 190 W
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 1.176 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (171.6)²) = 172.7 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/172.7 = 0.06947 A

电容电压

VC = I·XC = 0.06947·16.93 = 1.176 V

答案

VC = 1.176 V
9.直流电机

答案: T = 2.47 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·2900/60 = 303.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 750/303.7 = 2.47 N·m

答案

T = 2.47 N·m
10.直流电机

答案: n = 1709 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。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.85·1.5 = 1.275 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 37.5/1.275 = 29.41 A

新的转速

ω = (240 − 29.41·0.4)/1.275 = 179 rad/s → n = 1709 rpm

答案

n = 1709 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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