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 = 18 + j24 Ω每相

一个每相阻抗为 18 + j24 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 = 18 + j24 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 200 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 200 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 0.9(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 = 200 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
7200 V240 VIHV​ILV​ = ?150 kVA

一台单相 150 kVA、7200/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求低压绕组中的电流 ILV。

S = 150 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
ILV = A
4.变压器困难
250 kVA

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。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 1275 W12.5 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 12.5 A 和 1275 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 120 VI = 12.5 AP = 1275 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 50 kW,功率因数为 0.65(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 = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
120 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 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 = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
12 V100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 47 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 = 1.5 N·m/A,Ra = 1.5 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 = 1.5 N·m/ARa = 1.5 ΩT = 6 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−220 VRa​ = 0.5 ΩM+−En = ?T = 24 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω,V = 220 V)带动 24 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 70 %。求新的转速 n。

V = 220 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 24 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 2.596 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| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 208/30 = 6.933 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 = 3·6.933²·18 = 2.596 kW

答案

P = 2.596 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 199 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 = 200·tan(acos 0.7) = 200·1.02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 107.2 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) = 35725/(377·690²) = 199 µF

答案

Cph = 199 µF
3.变压器

答案: ILV = 625 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。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

ILV = S/V = 150000/240 = 625 A

答案

ILV = 625 A
4.变压器

答案: Sη,max = 204.1 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

x²·2250 = 1500 → x = √(1500/2250) = 0.8165

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.8165·250 = 204.1 kVA

答案

Sη,max = 204.1 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: R = 8.16 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 = 1275/12.5² = 8.16 Ω

答案

R = 8.16 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: C = 696.7 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 = 50·tan(49.46°) = 58.46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18.19°) = 16.43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 42.02 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 42022/(2π·60·400²) = 696.7 µF

答案

C = 696.7 µF
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 71.17 °

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 = 1257·0.25 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79.58 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (234.6)²) = 247.8 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(234.6/80) = 71.17°

答案

φ = 71.17°
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.243 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.1 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (28.97)²) = 49.39 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/49.39 = 0.243 A

答案

I = 0.243 A
9.直流电机

答案: n = 725.7 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 = 6/1.5 = 4 A

反电动势与转速

E = 120 − 4·1.5 = 114 V
ω = E/k = 76 rad/s → n = 725.7 rpm

答案

n = 725.7 rpm
10.直流电机

答案: n = 3386 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 = 0.7·0.8 = 0.56 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 24/0.56 = 42.86 A

新的转速

ω = (220 − 42.86·0.5)/0.56 = 354.6 rad/s → n = 3386 rpm

答案

n = 3386 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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