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 VIL​ = 20 Acos φ = 0.92滞后

一个对称三相负载从线电压为 400 V 的电源取用 20 A 的线电流,功率因数为 0.92(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0.92
P = kW
2.三相电困难
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 80 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 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 80 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
5 ΩN1​N2​720 Ω

一台输出电阻为 720 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 5 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 720 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 720 ΩRL = 5 Ω
a =
4.变压器困难
100 kVA

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 800 W,额定负载下铜损为 1200 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
120 VZ15 + j20 ΩI

一个阻抗为 Z = 15 + j20 Ω 的负载接在 120 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 120 VZ = 15 + j20 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
400 V50 Hz负载11 kW, 0.75C100 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、50 Hz 的电源吸取 11 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 100 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 11 kWpf1 = 0.75V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
I = A
7.交流阻抗和相量中等
24 V50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
2 Vf0​R = 15 ΩL = 20 mHC = 1 µF

一个 RLC 串联电路由 2 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 2 V (rms)R = 15 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VL = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)0.6 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.3 N·m/A,Ra = 2 Ω)由 48 V 供电,带动 0.6 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 48 Vk = 0.3 N·m/ARa = 2 ΩT = 0.6 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)1.5 N·m500 rpm

某直流电机的 k = 0.75 V·s/rad,Ra = 1 Ω,要以 500 rpm 带动 1.5 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.75 V·s/radRa = 1 ΩT = 1.5 N·mn = 500 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: P = 12.75 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 = √3·400·20 = 13.86 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 13.86·0.92 = 12.75 kW

答案

P = 12.75 kW
2.三相电

答案: Cph = 67.74 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 = 80·tan(acos 0.75) = 80·0.8819 = 70.55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 36.47 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12158/(377·690²) = 67.74 µF

答案

Cph = 67.74 µF
3.变压器

答案: a = 12

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

a²·5 = 720
a = √(720/5) = √144 = 12

答案

a = 12
4.变压器

答案: Sη,max = 81.65 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

x²·1200 = 800 → x = √(800/1200) = 0.8165

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.8165·100 = 81.65 kVA

答案

Sη,max = 81.65 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 460.8 var

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。

电流

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4.8 A

无功功率

Q = I²·X = 4.8²·20 = 460.8 var

答案

Q = 460.8 var
6.交流功率和功率因数

答案: I = 29.88 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 = 11·tan(arccos 0.75) = 9.701 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5.027 kvar
Q2 = 9.701 − 5.027 = 4.675 kvar

新的视在功率

S2 = √(11² + 4.675²) = 11.95 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 11952/400 = 29.88 A

答案

I = 29.88 A
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.693

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 = 15.71 Ω, XC = 67.73 Ω

阻抗

|Z| = √(50² + (−52.02)²) = 72.15 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 50/72.15 = 0.693
电路是容性的,所以功率因数超前。

答案

cos φ = 0.693
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 18.86 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。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·1·10⁻⁶) = 7071 rad/s
I = V/R = 2/15 = 0.1333 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 7071·0.02 = 141.4 Ω
VL = I·XL = 0.1333·141.4 = 18.86 V

答案

VL = 18.86 V

这是电源电压的 Q = 9.428 倍。

9.直流电机

答案: n = 1401 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。

电枢电流

Ia = T/k = 0.6/0.3 = 2 A

反电动势与转速

E = 48 − 2·2 = 44 V
ω = E/k = 146.7 rad/s → n = 1401 rpm

答案

n = 1401 rpm
10.直流电机

答案: V = 41.27 V

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。

反电动势

E = 0.75·52.36 = 39.27 V

电枢电流

Ia = 1.5/0.75 = 2 A

电枢电压

V = 39.27 + 2·1 = 41.27 V

答案

V = 41.27 V

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