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 = 5 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 5 + 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 = 5 + j12 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 75 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 75 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 0.98(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 = 75 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
50 ΩN1​N2​450 Ω

一台输出电阻为 450 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 50 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 450 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 450 ΩRL = 50 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.85150 kVA, 25% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 1200 W,额定负载下铜损为 4800 W。 它以 0.85(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 = 150 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 4800 Wx = 0.25pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 20 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求线路电流 I。

P = 20 kWpf = 0.8V = 230 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 45 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求新的线路电流 Inew。

P = 45 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
230 V100 HzR = 100 ΩL = 150 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 mH
I = A
8.交流阻抗和相量困难
120 V200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 22 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 20 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 = 2 V·s/rad,由 220 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 = 220 Vk = 2 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 1.2 ΩM+−En = ?T = 2.4 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 0.6 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω,V = 120 V)带动 2.4 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 75 %。求新的转速 n。

V = 120 Vk = 0.6 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 2.4 N·mΦ = 75 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 14.2 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 400/13 = 30.77 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 = 3·30.77²·5 = 14.2 kW

答案

P = 14.2 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.3846,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 705.6 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 = 75·tan(acos 0.7) = 75·1.02 = 76.52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 61.29 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) = 20429/(377·277.1²) = 705.6 µF

答案

Cph = 705.6 µF
3.变压器

答案: a = 3

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

a²·50 = 450
a = √(450/50) = √9 = 3

答案

a = 3
4.变压器

答案: Ploss = 1500 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 = 0.0625·4800 = 300 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1200 + 300 = 1500 W

答案

Ploss = 1500 W

此负载下的效率为 η = 95.51%。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 108.7 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) = 20000/(230·0.8) = 108.7 A

答案

I = 108.7 A
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 217.4 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 = 45·tan(41.41°) = 39.69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25.84°) = 21.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17.89 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(230·0.9) = 217.4 A

答案

Inew = 217.4 A
7.交流阻抗和相量

答案: I = 3.353 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

XL = ωL = 2π·100·0.15 = 94.25 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 = 230/100 = 2.3 A
IX = V/XL = 230/94.25 = 2.44 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) = √(2.3² + 2.44²) = 3.353 A

答案

I = 3.353 A
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 28.25 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/(1257·22·10⁻⁶) = 36.17 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (152.3)²) = 153.6 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/153.6 = 0.7811 A

电容电压

VC = I·XC = 0.7811·36.17 = 28.25 V

答案

VC = 28.25 V
9.直流电机

答案: n0 = 1050 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 = 220/2 = 110 rad/s
n0 = 60·110/(2π) = 1050 rpm

答案

n0 = 1050 rpm
10.直流电机

答案: n = 2411 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 = 0.75·0.6 = 0.45 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 2.4/0.45 = 5.333 A

新的转速

ω = (120 − 5.333·1.2)/0.45 = 252.4 rad/s → n = 2411 rpm

答案

n = 2411 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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