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​ = ?M37 kW, η = 88%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 37 kW。此负载下其效率为 88%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 37 kWη = 88%cos φ = 0.82VL = 480 V
IL = A
2.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 120 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 0.95(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 = 120 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 20 Ω41920 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 4:1 的理想变压器,一次绕组加 920 V 电压。二次绕组两端接一个 20 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 20 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.85150 kVA, 25% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 900 W,额定负载下铜损为 1350 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 1350 Wx = 0.25pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 11 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 11 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 11 kWpf = 0.9V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
24 V50 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

一个 24 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 8 + j15 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 = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 8 + j15 Ω
Pmax = W
7.交流阻抗和相量中等
24 V50 HzR = 20 ΩL = 20 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
8.交流阻抗和相量困难
100 V50 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 47 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 47 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

某直流电机的 k = 0.6 V·s/rad,由 120 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 120 Vk = 0.6 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)9 N·m1000 rpm

某直流电机的 k = 0.6 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω,要以 1000 rpm 带动 9 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.6 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 9 N·mn = 1000 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: IL = 61.67 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 = 37/0.88 = 42.05 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 42045/(√3·480·0.82) = 61.67 A

答案

IL = 61.67 A
2.三相电

答案: Cph = 1050 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 = 120·tan(acos 0.78) = 120·0.8023 = 96.27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.95) = 120·0.3287 = 39.44 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 56.83 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18944/(314.2·239.6²) = 1050 µF

答案

Cph = 1050 µF
3.变压器

答案: I1 = 2.875 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 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/20 = 11.5 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/4 = 2.875 A

答案

I1 = 2.875 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 320 Ω,920/320 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Ploss = 984.4 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 = 0.0625·1350 = 84.38 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 900 + 84.38 = 984.4 W

答案

Ploss = 984.4 W

此负载下的效率为 η = 97%。

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 5.328 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(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 11·0.4843 = 5.328 kvar

答案

Q = 5.328 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 18 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* = 8 − j15 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 24/16 = 1.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·8) = 18 W

答案

Pmax = 18 W
7.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 5.994 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

XL = ωL = 2π·50·0.02 = 6.283 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 = 24/20 = 1.2 A
IX = V/XL = 24/6.283 = 3.82 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) = √(1.2² + 3.82²) = 4.004 A

阻抗

|Z| = V/I = 24/4.004 = 5.994 Ω

答案

|Z| = 5.994 Ω
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 248.6 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。

电抗

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.25 = 78.54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·47·10⁻⁶) = 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) = √(25² + (10.81)²) = 27.24 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 100/27.24 = 3.671 A

电容电压

VC = I·XC = 3.671·67.73 = 248.6 V

答案

VC = 248.6 V
9.直流电机

答案: n0 = 1910 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。

空载转速

ω₀ = V/k = 120/0.6 = 200 rad/s
n0 = 60·200/(2π) = 1910 rpm

答案

n0 = 1910 rpm
10.直流电机

答案: V = 80.83 V

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。

反电动势

E = 0.6·104.7 = 62.83 V

电枢电流

Ia = 9/0.6 = 15 A

电枢电压

V = 62.83 + 15·1.2 = 80.83 V

答案

V = 80.83 V

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