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​ = 208 VNZ = 18 + j24 Ω每相

一个每相阻抗为 18 + j24 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 208 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 = 208 VZ = 18 + j24 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 120 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 120 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(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 = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
8 ΩN1​N2​72 Ω

一台输出电阻为 72 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 8 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 72 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 72 ΩRL = 8 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.9250 kVA, η = 98.2%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 1500 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 98.2%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 1500 Wpf = 0.9η = 98.2%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 720 W10 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 10 A 和 720 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 120 VI = 10 AP = 720 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求新的线路电流 Inew。

P = 20 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 40 ΩC = 47 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩC = 47 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 5 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 5 Ω,L = 2 mH,C = 0.1 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 = 5 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF
B = Hz
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

某直流电机在 1500 rpm 下输出 1.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1.5 kWn = 1500 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1.5 Ω30 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 30 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 240 VRa = 1.5 ΩImax = 30 A
Rst = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 0.8653 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 = 208/√3 = 120.1 V

相电流

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 120.1/30 = 4.003 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 = 3·4.003²·18 = 0.8653 kW

答案

P = 0.8653 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: QC = 71.3 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 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 71.3 kvar

答案

QC = 71.3 kvar
3.变压器

答案: a = 3

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

a²·8 = 72
a = √(72/8) = √9 = 3

答案

a = 3
4.变压器

答案: Pcu,fl = 2624 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。

输出功率和输入功率

Pout = 250·0.9 = 225 kW
Pin = 225000/0.982 = 229124 W

总损耗和铜损

Ploss = 229124 − 225000 = 4124 W
Pcu,fl = 4124 − 1500 = 2624 W

答案

Pcu,fl = 2624 W
5.交流功率和功率因数

答案: X = 9.6 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 = 720/10² = 7.2 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 120/10 = 12 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12² − 7.2²) = 9.6 Ω

答案

X = 9.6 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 54.35 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 = 20·tan(45.57°) = 20.4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23.07°) = 8.52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11.88 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(400·0.92) = 54.35 A

答案

Inew = 54.35 A
7.交流阻抗和相量

答案: I = 3.677 A

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/(ωC) = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56.44 Ω

支路电流

两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。

IR = V/R = 120/40 = 3 A
IX = V/XC = 120/56.44 = 2.126 A

总电流

电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。

I = √(IR² + IX²) = √(3² + 2.126²) = 3.677 A

答案

I = 3.677 A
8.交流阻抗和相量

答案: B = 397.9 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·√(0.002·0.1·10⁻⁶)) = 11254 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) = (1/5)·√(0.002/(0.1·10⁻⁶)) = 28.28

带宽

B = f0/Q = 11254/28.28 = 397.9 Hz

答案

B = 397.9 Hz
9.直流电机

答案: T = 9.549 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·1500/60 = 157.1 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1500/157.1 = 9.549 N·m

答案

T = 9.549 N·m
10.直流电机

答案: Rst = 6.5 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 = 240/30 = 8 Ω

起动电阻

Rst = 8 − 1.5 = 6.5 Ω

答案

Rst = 6.5 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

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