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​ = 480 VZ = 12 + j5 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j5 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 480 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 = 480 VZ = 12 + j5 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 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 250 kW,功率因数为 0.8(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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 250 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
16 ΩN1​N2​576 Ω

一台输出电阻为 576 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 16 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 576 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 576 ΩRL = 16 Ω
a =
4.变压器困难
500 kVA

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 2500 W,额定负载下铜损为 3750 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 24 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 24 kW,功率因数为 0.75(滞后)。 求线路电流 I。

P = 24 kWpf = 0.75V = 230 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
24 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

一个 24 V(有效值)、60 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 50 + j6 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j6 Ω
Pmax = W
7.交流阻抗和相量中等
100 V200 HzR = 25 ΩL = 20 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 100 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
8.交流阻抗和相量困难
24 V50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 1.2 N·m/A,Ra = 1 Ω)由 120 V 供电,带动 6 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 120 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1 ΩT = 6 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−110 VRa​ = 0.8 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 0.8 Ω,由 110 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 = 110 VRa = 0.8 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: P = 49.08 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 = 480 V

相电流

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 480/13 = 36.92 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 = 3·36.92²·12 = 49.08 kW

答案

P = 49.08 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.9231,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: QC = 81 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 = 250·tan(acos 0.8) = 250·0.75 = 187.5 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 = 81 kvar

答案

QC = 81 kvar
3.变压器

答案: a = 6

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

a²·16 = 576
a = √(576/16) = √36 = 6

答案

a = 6
4.变压器

答案: Sη,max = 408.2 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

x²·3750 = 2500 → x = √(2500/3750) = 0.8165

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.8165·500 = 408.2 kVA

答案

Sη,max = 408.2 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: I = 139.1 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) = 24000/(230·0.75) = 139.1 A

答案

I = 139.1 A
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 2.88 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 50 − j6 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0.24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2.88 W

答案

Pmax = 2.88 W
7.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 17.72 Ω

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·200·0.02 = 25.13 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 = 100/25 = 4 A
IX = V/XL = 100/25.13 = 3.979 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) = √(4² + 3.979²) = 5.642 A

阻抗

|Z| = V/I = 100/5.642 = 17.72 Ω

答案

|Z| = 17.72 Ω
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.07914 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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.05 = 15.71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−302.6)²) = 303.3 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/303.3 = 0.07914 A

答案

I = 0.07914 A
9.直流电机

答案: n = 915.1 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 = 6/1.2 = 5 A

反电动势与转速

E = 120 − 5·1 = 115 V
ω = E/k = 95.83 rad/s → n = 915.1 rpm

答案

n = 915.1 rpm
10.直流电机

答案: Pmax = 3781 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 = 55 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·0.8) = 3781 W

答案

Pmax = 3781 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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