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 VNZ = 9 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 9 + j12 Ω 的对称 Y 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 = 9 + j12 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 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 200 kW,功率因数为 0.8(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 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 15 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 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 = 20:1V1 = 2400 VRL = 15 Ω
I1 = A
4.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 225 W,额定负载下铜损为 450 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 450 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 518 W3 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 3 A 和 518 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 3 AP = 518 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
230 V50 Hz负载23 kW, 0.7C330 µFI

一个单相负载从 230 V、50 Hz 的电源吸取 23 kW,功率因数为 0.7(滞后)。一个 330 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 23 kWpf1 = 0.7V = 230 Vf = 50 HzC = 330 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、60 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 = 60 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
230 V100 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 60 ΩC = 10 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 10 ΩR2 = 60 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)0.2 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.1 N·m/A,Ra = 1 Ω)由 24 V 供电,带动 0.2 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 24 Vk = 0.1 N·m/ARa = 1 ΩT = 0.2 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−220 VD = ?Ra​ = 1.5 ΩM+−En = 750 rpmT = 4 N·m

某直流斩波器从 220 V 直流母线给电机(k = 0.8 V·s/rad,Ra = 1.5 Ω)供电。平均电枢电压为 D·220 V。求使电机在 4 N·m 负载下以 750 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 220 Vk = 0.8 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 4 N·mn = 750 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: P = 9.216 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 = 480/√3 = 277.1 V

相电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 277.1/15 = 18.48 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 = 3·18.48²·9 = 9.216 kW

答案

P = 9.216 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 1511 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 = 200·tan(acos 0.8) = 200·0.75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 109.4 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 36463/(314.2·277.1²) = 1511 µF

答案

Cph = 1511 µF
3.变压器

答案: I1 = 0.4 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 = 2400/20 = 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 = I2/20 = 0.4 A

答案

I1 = 0.4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 6000 Ω,2400/6000 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 53.03 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

x²·450 = 225 → x = √(225/450) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·75 = 53.03 kVA

答案

Sη,max = 53.03 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: X = 50.65 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 518/3² = 57.56 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/3 = 76.67 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(76.67² − 57.56²) = 50.65 Ω

答案

X = 50.65 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7878

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 = 23·tan(arccos 0.7) = 23.46 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5484 var = 5.484 kvar
Q2 = 23.46 − 5.484 = 17.98 kvar

新的视在功率

S2 = √(23² + 17.98²) = 29.19 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 23/29.19 = 0.7878

答案

cos φ = 0.7878
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 73.55 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (67.72)²) = 70.61 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(67.72/20) = 73.55°

答案

φ = 73.55°
8.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 65.59 Ω

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

XC = 1/(2π·100·10·10⁻⁶) = 159.2 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 52.53 − j19.8 Ω

总阻抗

Z = 10 + 52.53 − j19.8 = 62.53 − j19.8 Ω
|Z| = √(62.53² + 19.8²) = 65.59 Ω

答案

|Z| = 65.59 Ω
9.直流电机

答案: n = 2101 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 = 0.2/0.1 = 2 A

反电动势与转速

E = 24 − 2·1 = 22 V
ω = E/k = 220 rad/s → n = 2101 rpm

答案

n = 2101 rpm
10.直流电机

答案: D = 31.97 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.8·78.54 + 5·1.5 = 70.33 V

占空比

D = 70.33/220 = 31.97 %

答案

D = 31.97 %

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