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 VZ = 9 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 9 + j12 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 400 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 = 400 VZ = 9 + j12 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 50 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
16 Ω121

一个 16 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 12:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 12:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
4.变压器困难
500 kVA

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 1500 W,额定负载下铜损为 3000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 3 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 3 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求线路电流 I。

P = 3 kWpf = 0.65V = 400 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 106 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 106 kW、功率因数为 0.65(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 = 200 kVAP1 = 106 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
230 V60 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0.047 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 2 Ω,L = 1 mH,C = 0.047 µF。 求其带宽 B(两个半功率频率之间的频带宽度),以 Hz 表示。

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0.047 µF
B = Hz
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

某直流电机在 1800 rpm 下输出 1.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1.5 kWn = 1800 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−48 VRa​ = 1.5 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 1.5 Ω,由 48 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 = 48 VRa = 1.5 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: P = 19.2 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 = 400 V

相电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 400/15 = 26.67 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 = 3·26.67²·9 = 19.2 kW

答案

P = 19.2 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: QC = 26.79 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 = 50·tan(acos 0.7) = 50·1.02 = 51.01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.9) = 50·0.4843 = 24.22 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 26.79 kvar

答案

QC = 26.79 kvar
3.变压器

答案: R1′ = 2304 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 12²·16 = 2304 Ω

答案

R1′ = 2304 Ω
4.变压器

答案: Sη,max = 353.6 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

x²·3000 = 1500 → x = √(1500/3000) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·500 = 353.6 kVA

答案

Sη,max = 353.6 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: I = 11.54 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 3000/(400·0.65) = 11.54 A

答案

I = 11.54 A
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 50.98 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 = 106·tan(arccos 0.65) = 123.9 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) = √(200² − 123.9²) = 157 kW

增加的有功功率

ΔP = 157 − 106 = 50.98 kW

答案

ΔP = 50.98 kW
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.9955 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

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.1 = 37.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−227.6)²) = 231 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/231 = 0.9955 A

答案

I = 0.9955 A
8.交流阻抗和相量

答案: B = 318.3 Hz

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·√(0.001·0.047·10⁻⁶)) = 23215 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) = (1/2)·√(0.001/(0.047·10⁻⁶)) = 72.93

带宽

B = f0/Q = 23215/72.93 = 318.3 Hz

答案

B = 318.3 Hz
9.直流电机

答案: T = 7.958 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·1800/60 = 188.5 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1500/188.5 = 7.958 N·m

答案

T = 7.958 N·m
10.直流电机

答案: Pmax = 384 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 = 24 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·1.5) = 384 W

答案

Pmax = 384 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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