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​ = 415 VIL​ = ?M22 kW, η = 94%cos φ = 0.8

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 22 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.8(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 94%cos φ = 0.8VL = 415 V
IL = A
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)、60 Hz 的电源取用 75 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 0.98(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 = 75 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 15 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 4:1 的理想变压器,一次绕组加 480 V 电压。二次绕组两端接一个 15 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 15 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.925 kVA, 50% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 125 W,额定负载下铜损为 312.5 W。 它以 0.9(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 312.5 Wx = 0.5pf = 0.9
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 6 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 6 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 6 kWpf = 0.8V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
240 V60 Hz负载28 kW, 0.75C220 µFI = ?

一个单相负载从 240 V、60 Hz 的电源吸取 28 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 220 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 28 kWpf1 = 0.75V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
7.交流阻抗和相量中等
10 V500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 10 ΩL = 20 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 10 Ω,L = 20 mH,C = 0.47 µF。 求其带宽 B(两个半功率频率之间的频带宽度),以 Hz 表示。

R = 10 ΩL = 20 mHC = 0.47 µF
B = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 0.8 N·m/A,Ra = 2 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 = 0.8 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)6 N·m750 rpm

某直流电机的 k = 1.2 V·s/rad,Ra = 1.5 Ω,要以 750 rpm 带动 6 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 1.2 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 6 N·mn = 750 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: IL = 40.7 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 22/0.94 = 23.4 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23404/(√3·415·0.8) = 40.7 A

答案

IL = 40.7 A
2.三相电

答案: Cph = 235.2 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 0.7) = 75·1.02 = 76.52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 61.29 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 = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 20429/(377·480²) = 235.2 µF

答案

Cph = 235.2 µF
3.变压器

答案: I1 = 2 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 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/15 = 8 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/4 = 2 A

答案

I1 = 2 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 240 Ω,480/240 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 203.1 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 = 0.25·312.5 = 78.13 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 125 + 78.13 = 203.1 W

答案

Ploss = 203.1 W

此负载下的效率为 η = 98.23%。

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 4.5 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(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75

无功功率

Q = P·tan φ = 6·0.75 = 4.5 kvar

答案

Q = 4.5 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: I = 143.2 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。

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 = 28·tan(arccos 0.75) = 24.69 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4.777 kvar
Q2 = 24.69 − 4.777 = 19.92 kvar

新的视在功率

S2 = √(28² + 19.92²) = 34.36 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 34361/240 = 143.2 A

答案

I = 143.2 A
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.06239 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·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) = √(100² + (125.2)²) = 160.3 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 10/160.3 = 0.06239 A

答案

I = 0.06239 A
8.交流阻抗和相量

答案: B = 79.58 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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.02·0.47·10⁻⁶)) = 1642 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0.02/(0.47·10⁻⁶)) = 20.63

带宽

B = f0/Q = 1642/20.63 = 79.58 Hz

答案

B = 79.58 Hz
9.直流电机

答案: Tstall = 96 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 = 240/2 = 120 A

堵转转矩

Tstall = 0.8·120 = 96 N·m

答案

Tstall = 96 N·m
10.直流电机

答案: V = 101.7 V

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。

反电动势

E = 1.2·78.54 = 94.25 V

电枢电流

Ia = 6/1.2 = 5 A

电枢电压

V = 94.25 + 5·1.5 = 101.7 V

答案

V = 101.7 V

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