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 = 16 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 16 + j12 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 = 16 + j12 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 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 0.92(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 = 300 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?50 kVA

一台单相 50 kVA、4800/240 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 = 50 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
4.变压器困难
500 kVA

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 3000 W,额定负载下铜损为 9000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 500 kVAPcore = 3000 WPcu,fl = 9000 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 29 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 29 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 29 kWpf = 0.85V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载26 kW, 0.6C330 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 26 kW,功率因数为 0.6(滞后)。一个 330 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 26 kWpf1 = 0.6V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
100 V500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
50 V500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 2 N·m/A,Ra = 1.5 Ω,接到 240 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 240 Vk = 2 N·m/ARa = 1.5 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 0.8 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

某 240 V 直流电机的电枢电阻为 0.8 Ω。求把起动电流限制在 20 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 240 VRa = 0.8 ΩImax = 20 A
Rst = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 1.731 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| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 120.1/20 = 6.004 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 = 3·6.004²·16 = 1.731 kW

答案

P = 1.731 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: QC = 222.9 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 = 300·tan(acos 0.65) = 300·1.169 = 350.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 222.9 kvar

答案

QC = 222.9 kvar
3.变压器

答案: ILV = 208.3 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 = 50000/240 = 208.3 A

答案

ILV = 208.3 A
4.变压器

答案: Sη,max = 288.7 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

x²·9000 = 3000 → x = √(3000/9000) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·500 = 288.7 kVA

答案

Sη,max = 288.7 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 17.97 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。

相角

φ = arccos(0.85) = 31.79°, tan φ = 0.6197

无功功率

Q = P·tan φ = 29·0.6197 = 17.97 kvar

答案

Q = 17.97 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.6714

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 = 26·tan(arccos 0.6) = 34.67 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5.972 kvar
Q2 = 34.67 − 5.972 = 28.7 kvar

新的视在功率

S2 = √(26² + 28.7²) = 38.72 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 26/38.72 = 0.6714

答案

cos φ = 0.6714
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.1131

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 = 471.2 Ω, XC = 31.83 Ω

阻抗

|Z| = √(50² + (439.4)²) = 442.2 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 50/442.2 = 0.1131
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.1131
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 12.36 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 = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31.83 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (125.2)²) = 128.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/128.8 = 0.3882 A

电容电压

VC = I·XC = 0.3882·31.83 = 12.36 V

答案

VC = 12.36 V
9.直流电机

答案: Tstall = 320 N·m

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。

堵转电流

Ia = V/Ra = 240/1.5 = 160 A

堵转转矩

Tstall = 2·160 = 320 N·m

答案

Tstall = 320 N·m
10.直流电机

答案: Rst = 11.2 Ω

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。

总电阻

Ra + Rst = 240/20 = 12 Ω

起动电阻

Rst = 12 − 0.8 = 11.2 Ω

答案

Rst = 11.2 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

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