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​ = 400 VZ = 20 + j15 Ω每相

一个每相阻抗为 20 + j15 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 400 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 = 400 VZ = 20 + j15 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 80 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 80 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 0.98(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 = 80 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
10 ΩN1​N2​250 Ω

一台输出电阻为 250 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 10 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 250 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 250 ΩRL = 10 Ω
a =
4.变压器困难
50 kVA

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 150 W,额定负载下铜损为 300 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 300 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
230 V116 kW, 0.75221 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 16 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载,以及一台 21 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 230 VP1 = 16 kW, pf1 = 0.75 滞后P2 = 21 kW, pf2 = 1
I = A
6.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载18 kW, 0.65C150 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 18 kW,功率因数为 0.65(滞后)。一个 150 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 18 kWpf1 = 0.65V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
50 V100 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求从电源吸取的有功功率 P。

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF
P = W
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 15 Ω,L = 50 mH,C = 1 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 = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF
B = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 0.4 N·m/A,Ra = 0.4 Ω,接到 120 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 120 Vk = 0.4 N·m/ARa = 0.4 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)20 N·m750 rpm

某直流电机的 k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω,要以 750 rpm 带动 20 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.8 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 20 N·mn = 750 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: P = 15.36 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 = VL = 400 V

相电流

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 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 = 3·16²·20 = 15.36 kW

答案

P = 15.36 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 = 60.86 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 = 80·tan(acos 0.72) = 80·0.9639 = 77.11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 60.86 kvar

答案

QC = 60.86 kvar
3.变压器

答案: a = 5

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。

匹配折算负载

a²·10 = 250
a = √(250/10) = √25 = 5

答案

a = 5
4.变压器

答案: Sη,max = 35.36 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

x²·300 = 150 → x = √(150/300) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·50 = 35.36 kVA

答案

Sη,max = 35.36 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: I = 172.2 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。

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 = 16·tan(arccos 0.75) = 14.11 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 16 + 21 = 37 kW
Q = 14.11 + 0 = 14.11 kvar
S = √(37² + 14.11²) = 39.6 kVA

总电流

I = S/V = 39599/230 = 172.2 A

答案

I = 172.2 A
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7007

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 = 18·tan(arccos 0.65) = 21.04 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2.714 kvar
Q2 = 21.04 − 2.714 = 18.33 kvar

新的视在功率

S2 = √(18² + 18.33²) = 25.69 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 18/25.69 = 0.7007

答案

cos φ = 0.7007
7.交流阻抗和相量

答案: P = 0.9266 W

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 = 12.57 Ω, XC = 338.6 Ω

阻抗

|Z| = √(40² + (−326.1)²) = 328.5 Ω

有功功率

电感和电容只储存和释放能量;全部有功功率都由电阻吸收。

I = 50/328.5 = 0.1522 A
P = I²·R = 0.1522²·40 = 0.9266 W

答案

P = 0.9266 W
8.交流阻抗和相量

答案: B = 47.75 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·√(0.05·1·10⁻⁶)) = 711.8 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) = (1/15)·√(0.05/(1·10⁻⁶)) = 14.91

带宽

B = f0/Q = 711.8/14.91 = 47.75 Hz

答案

B = 47.75 Hz
9.直流电机

答案: Tstall = 120 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 = 120/0.4 = 300 A

堵转转矩

Tstall = 0.4·300 = 120 N·m

答案

Tstall = 120 N·m
10.直流电机

答案: V = 69.08 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 = 0.8·78.54 = 62.83 V

电枢电流

Ia = 20/0.8 = 25 A

电枢电压

V = 62.83 + 25·0.25 = 69.08 V

答案

V = 69.08 V

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