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 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 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 + j7 Ω 每相
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 0.75(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 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 250 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 15 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 15 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 15 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.85250 kVA, 50% 负载

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 1500 W,额定负载下铜损为 2250 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 2898 W18 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 18 A 和 2898 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 18 AP = 2898 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 40 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求所需电容 C。

P = 40 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
24 V200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 100 ΩL = 200 mHC = 0.022 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 100 Ω,L = 200 mH,C = 0.022 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 = 100 ΩL = 200 mHC = 0.022 µF
B = Hz
9.直流电机中等
+−220 VRa​ = 1.2 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

某直流电机从 220 V 电源吸取 15 A 电流。其电枢电阻为 1.2 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 91 W。求它的效率 η。

V = 220 VIa = 15 ARa = 1.2 ΩProt = 91 W
η = %
10.直流电机困难
+−240 VD = ?Ra​ = 1.2 ΩM+−En = 1500 rpmT = 12 N·m

某直流斩波器从 240 V 直流母线给电机(k = 1 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω)供电。平均电枢电压为 D·240 V。求使电机在 12 N·m 负载下以 1500 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 12 N·mn = 1500 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: P = 4.984 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 + 7²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8.32 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 = 3·8.32²·24 = 4.984 kW

答案

P = 4.984 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.96,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 1312 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 0.75) = 250·0.8819 = 220.5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.92) = 250·0.426 = 106.5 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 114 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) = 37993/(377·277.1²) = 1312 µF

答案

Cph = 1312 µF
3.变压器

答案: I1 = 8 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 = 240/15 = 16 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 8 A

答案

I1 = 8 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 60 Ω,480/60 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 2063 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 = 0.25·2250 = 562.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1500 + 562.5 = 2063 W

答案

Ploss = 2063 W

此负载下的效率为 η = 98.1%。

5.交流功率和功率因数

答案: X = 9.125 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 = 2898/18² = 8.944 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/18 = 12.78 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12.78² − 8.944²) = 9.125 Ω

答案

X = 9.125 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: C = 335.3 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。

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 = 40·tan(36.87°) = 30 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18.19°) = 13.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16.85 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 16853/(2π·50·400²) = 335.3 µF

答案

C = 335.3 µF
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 56.16 °

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 = 1257·0.1 = 125.7 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) = √(60² + (89.49)²) = 107.7 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(89.49/60) = 56.16°

答案

φ = 56.16°
8.交流阻抗和相量

答案: B = 79.58 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·√(0.2·0.022·10⁻⁶)) = 2399 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) = (1/100)·√(0.2/(0.022·10⁻⁶)) = 30.15

带宽

B = f0/Q = 2399/30.15 = 79.58 Hz

答案

B = 79.58 Hz
9.直流电机

答案: η = 89.06 %

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。

各功率

Pin = 220·15 = 3300 W
Pdev = 202·15 = 3030 W
Pout = 3030 − 91 = 2939 W

效率

η = 2939/3300·100 = 89.06 %

答案

η = 89.06 %
10.直流电机

答案: D = 71.45 %

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 = 1·157.1 + 12·1.2 = 171.5 V

占空比

D = 171.5/240 = 71.45 %

答案

D = 71.45 %

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