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​ = 480 VZ = 8 + j6 Ω每相

一个每相阻抗为 8 + j6 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 480 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 = 480 VZ = 8 + j6 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 200 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 200 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 0.95(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 = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
4 Ω101

一个 4 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 10:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
4.变压器困难
500 kVA

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 1500 W,额定负载下铜损为 2250 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 13 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 13 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 13 kWpf = 0.85V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载12 kW, 0.75C150 µFI = ?

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 12 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 150 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 12 kWpf1 = 0.75V = 230 Vf = 60 HzC = 150 µF
I = A
7.交流阻抗和相量中等
120 V500 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 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 = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 10 ΩL = 50 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 10 Ω,L = 50 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 = 50 mHC = 0.47 µF
B = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)16 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.8 N·m/A,Ra = 0.5 Ω)由 240 V 供电,带动 16 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 240 Vk = 0.8 N·m/ARa = 0.5 ΩT = 16 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 1.2 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 1.2 Ω,由 120 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 120 VRa = 1.2 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: P = 55.3 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 = 480 V

相电流

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 480/10 = 48 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 = 3·48²·8 = 55.3 kW

答案

P = 55.3 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 = 110.6 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 110.6 kvar

答案

QC = 110.6 kvar
3.变压器

答案: R1′ = 400 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 10²·4 = 400 Ω

答案

R1′ = 400 Ω
4.变压器

答案: Sη,max = 408.2 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

x²·2250 = 1500 → x = √(1500/2250) = 0.8165

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.8165·500 = 408.2 kVA

答案

Sη,max = 408.2 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 8.057 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 = 13·0.6197 = 8.057 kvar

答案

Q = 8.057 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: I = 61.74 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 = 12·tan(arccos 0.75) = 10.58 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·150·10⁻⁶ = 2991 var = 2.991 kvar
Q2 = 10.58 − 2.991 = 7.592 kvar

新的视在功率

S2 = √(12² + 7.592²) = 14.2 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 14200/230 = 61.74 A

答案

I = 61.74 A
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 85.36 °

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 = 3142·0.1 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (246.4)²) = 247.2 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(246.4/20) = 85.36°

答案

φ = 85.36°
8.交流阻抗和相量

答案: B = 31.83 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·√(0.05·0.47·10⁻⁶)) = 1038 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)·√(0.05/(0.47·10⁻⁶)) = 32.62

带宽

B = f0/Q = 1038/32.62 = 31.83 Hz

答案

B = 31.83 Hz
9.直流电机

答案: n = 2745 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 = 16/0.8 = 20 A

反电动势与转速

E = 240 − 20·0.5 = 230 V
ω = E/k = 287.5 rad/s → n = 2745 rpm

答案

n = 2745 rpm
10.直流电机

答案: Pmax = 3000 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1.2) = 3000 W

答案

Pmax = 3000 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

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