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​ = 60 Acos φ = 0.85滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 60 A 的线电流,功率因数为 0.85(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 60 Acos φ = 0.85
P = kW
2.三相电困难
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 100 kW,功率因数为 0.75(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 = 100 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 24 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 24 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.变压器困难
25 kVA

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 125 W,额定负载下铜损为 250 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 250 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 19 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 19 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 19 kWpf = 0.8V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求新的线路电流 Inew。

P = 35 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
50 V500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、500 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 = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
2 Vf0​R = 50 ΩL = 50 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路由 2 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 2 V (rms)R = 50 ΩL = 50 mHC = 0.47 µF
VL = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)12 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 2 N·m/A,Ra = 2 Ω)由 220 V 供电,带动 12 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 220 Vk = 2 N·m/ARa = 2 ΩT = 12 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1.5 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

某 240 V 直流电机的电枢电阻为 1.5 Ω。求把起动电流限制在 15 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 240 VRa = 1.5 ΩImax = 15 A
Rst = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 36.66 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 = √3·415·60 = 43.13 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 43.13·0.85 = 36.66 kW

答案

P = 36.66 kW
2.三相电

答案: Cph = 204.1 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 = 100·tan(acos 0.75) = 100·0.8819 = 88.19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.9) = 100·0.4843 = 48.43 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 39.76 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 = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13253/(377·415²) = 204.1 µF

答案

Cph = 204.1 µF
3.变压器

答案: I1 = 2.5 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 = 240/24 = 10 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/4 = 2.5 A

答案

I1 = 2.5 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 384 Ω,960/384 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 17.68 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

x²·250 = 125 → x = √(125/250) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·25 = 17.68 kVA

答案

Sη,max = 17.68 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 14.25 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 = 19·0.75 = 14.25 kvar

答案

Q = 14.25 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 169.1 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 = P·tan φ1 = 35·tan(53.13°) = 46.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25.84°) = 16.95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29.72 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(230·0.9) = 169.1 A

答案

Inew = 169.1 A
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 51.4 °

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

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(125.2/100) = 51.4°

答案

φ = 51.4°
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 13.05 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。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·0.47·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 2/50 = 0.04 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 6523·0.05 = 326.2 Ω
VL = I·XL = 0.04·326.2 = 13.05 V

答案

VL = 13.05 V

这是电源电压的 Q = 6.523 倍。

9.直流电机

答案: n = 993.1 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 = 12/2 = 6 A

反电动势与转速

E = 220 − 6·2 = 208 V
ω = E/k = 104 rad/s → n = 993.1 rpm

答案

n = 993.1 rpm
10.直流电机

答案: Rst = 14.5 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 = 240/15 = 16 Ω

起动电阻

Rst = 16 − 1.5 = 14.5 Ω

答案

Rst = 14.5 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

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