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
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。
一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 400 V。求线电流 IL。
一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。
一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 460 V 电压。二次绕组两端接一个 5 Ω 的电阻。求一次电流 I1。
一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 1200 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?
两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 27 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。
一个 10 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 8 + j30 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。
一个串联 RLC 电路接在 24 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)。
一个 RLC 串联电路由 2 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。
某直流电机(k = 0.25 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω)由 24 V 供电。满载时电流为 6 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。
某小型直流电机的电枢电阻为 4 Ω,由 110 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。
答案: IL = 51.73 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。
答案: Cph = 84.78 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。
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。
在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。
答案: I1 = 23 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。
理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。
验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 20 Ω,460/20 得到相同的电流。
答案: Sη,max = 25 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。
答案: I = 134 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。
滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。
答案: Pmax = 3.125 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。
负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。
答案: φ = 80.77 °
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。
串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。
答案: VL = 70.71 V
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。
谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。
这是电源电压的 Q = 35.36 倍。
答案: SR = 6.667 %
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。
答案: Pmax = 756.3 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。
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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