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 VNZ = 4 + j3 Ω每相

一个每相阻抗为 4 + j3 Ω 的对称 Y 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 = 4 + j3 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 80 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 80 kW,功率因数为 0.65(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 80 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
5 Ω121

一个 5 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 = 5 Ω
R1′ = Ω
4.变压器困难
pf 0.95200 kVA, 75% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 800 W,额定负载下铜损为 2000 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 75%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 2000 Wx = 0.75pf = 0.95
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 252 W3.5 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 3.5 A 和 252 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 120 VI = 3.5 AP = 252 W
R = Ω
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、50 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。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 45 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 1 µF

一个 C = 1 µF 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电感 L。

f0 = 100 HzC = 1 µF
L = mH
8.交流阻抗和相量困难
230 V500 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)2.5 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.5 V·s/rad,Ra = 2 Ω)由 120 V 供电。满载时电流为 5 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。

V = 120 Vk = 0.5 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 5 A
SR = %
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 0.8 ΩM+−En = ?T = 12 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω,V = 240 V)带动 12 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 = 240 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 12 N·mΦ = 75 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 6.922 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 = 208/√3 = 120.1 V

相电流

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 120.1/5 = 24.02 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 = 3·24.02²·4 = 6.922 kW

答案

P = 6.922 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: Cph = 774.1 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 0.65) = 80·1.169 = 93.53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.95) = 80·0.3287 = 26.29 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 67.24 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) = 22412/(377·277.1²) = 774.1 µF

答案

Cph = 774.1 µF
3.变压器

答案: R1′ = 720 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 = 12²·5 = 720 Ω

答案

R1′ = 720 Ω
4.变压器

答案: Ploss = 1925 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 = 0.5625·2000 = 1125 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 800 + 1125 = 1925 W

答案

Ploss = 1925 W

此负载下的效率为 η = 98.67%。

5.交流功率和功率因数

答案: R = 20.57 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 = 252/3.5² = 20.57 Ω

答案

R = 20.57 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 17.89 kvar

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

答案

QC = 17.89 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: L = 2533 mH

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628.3²·1·10⁻⁶) = 2533 mH

答案

L = 2533 mH
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 195 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.1 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2.2·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (169.5)²) = 170.6 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/170.6 = 1.348 A

电容电压

VC = I·XC = 1.348·144.7 = 195 V

答案

VC = 195 V
9.直流电机

答案: SR = 9.091 %

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。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·120/(2π·0.5) = 2292 rpm
nFL = 60·(120 − 5·2)/(2π·0.5) = 2101 rpm

转速调整率

SR = (2292 − 2101)/2101·100 = 9.091 %

答案

SR = 9.091 %
10.直流电机

答案: n = 3565 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 = 0.75·0.8 = 0.6 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 12/0.6 = 20 A

新的转速

ω = (240 − 20·0.8)/0.6 = 373.3 rad/s → n = 3565 rpm

答案

n = 3565 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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