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 VIL​ = ?M75 kW, η = 91%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 75 kW。此负载下其效率为 91%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 75 kWη = 91%cos φ = 0.82VL = 480 V
IL = A
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)、60 Hz 的电源取用 200 kW,功率因数为 0.78(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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 200 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
RL​ = 48 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4600 V 电压。二次绕组两端接一个 48 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 48 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.8575 kVA, 50% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 225 W,额定负载下铜损为 675 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 675 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 7 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 7 kW,功率因数为 0.6(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 7 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
10 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

一个 10 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 20 + j5 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j5 Ω
Pmax = W
7.交流阻抗和相量中等
12 V200 HzR = 100 ΩC = 10 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩC = 10 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
24 V500 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 47 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 47 µF
f0 = Hz
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

某直流电机在 1450 rpm 下输出 1.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1.5 kWn = 1450 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 25 → 12.5 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 120 V 供电(Ra = 0.25 Ω),在 1800 rpm 下运转,电枢电流为 25 A。负载变化后电流变为 12.5 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 120 VRa = 0.25 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 25 AIa2 = 12.5 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: IL = 120.9 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 75/0.91 = 82.42 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 82418/(√3·480·0.82) = 120.9 A

答案

IL = 120.9 A
2.三相电

答案: QC = 63.59 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 0.78) = 200·0.8023 = 160.5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 63.59 kvar

答案

QC = 63.59 kvar
3.变压器

答案: I1 = 0.2396 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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/48 = 4.792 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 0.2396 A

答案

I1 = 0.2396 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 19200 Ω,4600/19200 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 393.8 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。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·675 = 168.8 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 225 + 168.8 = 393.8 W

答案

Ploss = 393.8 W

此负载下的效率为 η = 98.78%。

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 9.333 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(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

无功功率

Q = P·tan φ = 7·1.333 = 9.333 kvar

答案

Q = 9.333 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1.25 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 20 − j5 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 10/40 = 0.25 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·20) = 1.25 W

答案

Pmax = 1.25 W
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1927 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·200·10·10⁻⁶) = 79.58 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 = 12/100 = 0.12 A
IX = V/XC = 12/79.58 = 0.1508 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) = √(0.12² + 0.1508²) = 0.1927 A

答案

I = 0.1927 A
8.交流阻抗和相量

答案: f0 = 164.2 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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.02·47·10⁻⁶)) = 164.2 Hz

答案

f0 = 164.2 Hz
9.直流电机

答案: T = 9.879 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·1450/60 = 151.8 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1500/151.8 = 9.879 N·m

答案

T = 9.879 N·m
10.直流电机

答案: n2 = 1849 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。

变化前后的反电动势

E1 = 120 − 25·0.25 = 113.8 V
E2 = 120 − 12.5·0.25 = 116.9 V

新的转速

n2 = 1800·116.9/113.8 = 1849 rpm

答案

n2 = 1849 rpm

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