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​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0.9滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 40 A 的线电流,功率因数为 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0.9
P = kW
2.三相电困难
P = 150 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 150 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 0.9(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 = 150 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 60 Ω41960 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 4:1 的理想变压器,一次绕组加 960 V 电压。二次绕组两端接一个 60 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 60 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.875 kVA, 50% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 750 W。 它以 0.8(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 = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 750 Wx = 0.5pf = 0.8
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
400 V111 kW, 0.6527 kW, 0.85I

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 11 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载,以及一个 7 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 400 VP1 = 11 kW, pf1 = 0.65 滞后P2 = 7 kW, pf2 = 0.85 滞后
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 50 kWQ1​S1​φ

一台 150 kVA 的单相变压器为一个 50 kW、功率因数为 0.65(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 = 50 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
100 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFI

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 50 ΩL = 10 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 50 Ω,L = 10 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 = 50 ΩL = 10 mHC = 0.47 µF
B = Hz
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 960 rpmT = ?

某直流电机在 960 rpm 下输出 7.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 7.5 kWn = 960 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 1.2 ΩIa​: 25 → 12.5 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 240 V 供电(Ra = 1.2 Ω),在 1500 rpm 下运转,电枢电流为 25 A。负载变化后电流变为 12.5 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 240 VRa = 1.2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 25 AIa2 = 12.5 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 43.02 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·690·40 = 47.8 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 47.8·0.9 = 43.02 kW

答案

P = 43.02 kW
2.三相电

答案: Cph = 572.3 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 = 150·tan(acos 0.65) = 150·1.169 = 175.4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 102.7 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 34240/(377·398.4²) = 572.3 µF

答案

Cph = 572.3 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 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/4 = 1 A

答案

I1 = 1 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 960 Ω,960/960 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 487.5 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 = 0.25·750 = 187.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 300 + 187.5 = 487.5 W

答案

Ploss = 487.5 W

此负载下的效率为 η = 98.4%。

5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.723

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 11·tan(arccos 0.65) = 12.86 kvar
Q2 = 7·tan(arccos 0.85) = 4.338 kvar

总计

P = 11 + 7 = 18 kW
Q = 12.86 + 4.338 = 17.2 kvar
S = √(18² + 17.2²) = 24.9 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 18/24.9 = 0.723 滞后

答案

cos φ = 0.723
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 88.14 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 = 50·tan(arccos 0.65) = 58.46 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 − 58.46²) = 138.1 kW

增加的有功功率

ΔP = 138.1 − 50 = 88.14 kW

答案

ΔP = 88.14 kW
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.425

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 = 125.7 Ω, XC = 338.6 Ω

阻抗

|Z| = √(100² + (−213)²) = 235.3 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 100/235.3 = 0.425
电路是容性的,所以功率因数超前。

答案

cos φ = 0.425
8.交流阻抗和相量

答案: B = 795.8 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·√(0.01·0.47·10⁻⁶)) = 2322 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) = (1/50)·√(0.01/(0.47·10⁻⁶)) = 2.917

带宽

B = f0/Q = 2322/2.917 = 795.8 Hz

答案

B = 795.8 Hz
9.直流电机

答案: T = 74.6 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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

扭矩

T = P/ω = 7500/100.5 = 74.6 N·m

答案

T = 74.6 N·m
10.直流电机

答案: n2 = 1607 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 = 240 − 25·1.2 = 210 V
E2 = 240 − 12.5·1.2 = 225 V

新的转速

n2 = 1500·225/210 = 1607 rpm

答案

n2 = 1607 rpm

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