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 VNZ = 24 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 Ω 的对称 Y 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 = 24 + j7 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 75 kW,功率因数为 0.72(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 = 75 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 12 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4800 V 电压。二次绕组两端接一个 12 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 12 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.85150 kVA, 75% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1200 W。 它以 0.85(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 = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 Wx = 0.75pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
120 VZ7 + j24 ΩI

一个阻抗为 Z = 7 + j24 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 = 7 + j24 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 81 kWQ1​S1​φ

一台 150 kVA 的单相变压器为一个 81 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 150 kVAP1 = 81 kWpf1 = 0.75
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
10 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 22 µF

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、100 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 = 10 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 22 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
100 V500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 1 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 1 µF
f0 = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

某直流电机的 k = 0.15 V·s/rad,由 48 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 48 Vk = 0.15 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
+−48 VRa​ = 0.8 ΩIa​: 5 → 2.5 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 48 V 供电(Ra = 0.8 Ω),在 1500 rpm 下运转,电枢电流为 5 A。负载变化后电流变为 2.5 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 48 VRa = 0.8 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 5 AIa2 = 2.5 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 8.847 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 = 480/√3 = 277.1 V

相电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 277.1/25 = 11.09 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 = 3·11.09²·24 = 8.847 kW

答案

P = 8.847 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 = 658.1 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 = 75·tan(acos 0.72) = 75·0.9639 = 72.29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.95) = 75·0.3287 = 24.65 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 47.64 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·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15879/(314.2·277.1²) = 658.1 µF

答案

Cph = 658.1 µF
3.变压器

答案: I1 = 1 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 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/12 = 20 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 1 A

答案

I1 = 1 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 4800 Ω,4800/4800 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 1275 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 = 0.5625·1200 = 675 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 675 = 1275 W

答案

Ploss = 1275 W

此负载下的效率为 η = 98.68%。

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 553 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| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4.8 A

无功功率

Q = I²·X = 4.8²·24 = 553 var

答案

Q = 553 var
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 50.9 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 81·tan(arccos 0.75) = 71.44 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 71.44²) = 131.9 kW

增加的有功功率

ΔP = 131.9 − 81 = 50.9 kW

答案

ΔP = 50.9 kW
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 28.07 °

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 = 628.3·0.2 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (53.32)²) = 113.3 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(53.32/100) = 28.07°

答案

φ = 28.07°
8.交流阻抗和相量

答案: f0 = 355.9 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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.2·1·10⁻⁶)) = 355.9 Hz

答案

f0 = 355.9 Hz
9.直流电机

答案: n0 = 3056 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。

空载转速

ω₀ = V/k = 48/0.15 = 320 rad/s
n0 = 60·320/(2π) = 3056 rpm

答案

n0 = 3056 rpm
10.直流电机

答案: n2 = 1568 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。

变化前后的反电动势

E1 = 48 − 5·0.8 = 44 V
E2 = 48 − 2.5·0.8 = 46 V

新的转速

n2 = 1500·46/44 = 1568 rpm

答案

n2 = 1568 rpm

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