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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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​ = 415 VNZ = 12 + j5 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j5 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 415 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 = 415 VZ = 12 + j5 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 250 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 250 kW,功率因数为 0.65(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 = 250 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
4 ΩN1​N2​36 Ω

一台输出电阻为 36 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 4 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 36 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 36 ΩRL = 4 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.875 kVA, 25% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1200 W。 它以 0.8(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 = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
240 V16 kW, 0.65217 kW, 0.85I = ?

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 6 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载,以及一个 17 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 240 VP1 = 6 kW, pf1 = 0.65 滞后P2 = 17 kW, pf2 = 0.85 滞后
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.98。 求新的线路电流 Inew。

P = 35 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
12 V100 HzR = 60 ΩC = 10 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
8.交流阻抗和相量困难
10 V100 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.直流电机中等
+−24 VRa​ = 0.5 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

某直流电机从 24 V 电源吸取 5 A 电流。其电枢电阻为 0.5 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 9 W。求它的效率 η。

V = 24 VIa = 5 ARa = 0.5 ΩProt = 9 W
η = %
10.直流电机困难
+−220 VRa​ = 1 ΩIa​: 15 → 30 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 220 V 供电(Ra = 1 Ω),在 1000 rpm 下运转,电枢电流为 15 A。负载变化后电流变为 30 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 220 VRa = 1 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 15 AIa2 = 30 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 12.23 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 = 415/√3 = 239.6 V

相电流

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 239.6/13 = 18.43 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 = 3·18.43²·12 = 12.23 kW

答案

P = 12.23 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.9231,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: QC = 171.2 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 = 250·tan(acos 0.65) = 250·1.169 = 292.3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 171.2 kvar

答案

QC = 171.2 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

a²·4 = 36
a = √(36/4) = √9 = 3

答案

a = 3
4.变压器

答案: Ploss = 675 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 = 0.0625·1200 = 75 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 600 + 75 = 675 W

答案

Ploss = 675 W

此负载下的效率为 η = 95.69%。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 120.5 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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 6·tan(arccos 0.65) = 7.015 kvar
Q2 = 17·tan(arccos 0.85) = 10.54 kvar

总计

P = 6 + 17 = 23 kW
Q = 7.015 + 10.54 = 17.55 kvar
S = √(23² + 17.55²) = 28.93 kVA

总电流

I = S/V = 28931/240 = 120.5 A

答案

I = 120.5 A
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 148.8 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 = 35·tan(41.41°) = 30.87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11.48°) = 7.107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 23.76 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0.98) = 148.8 A

答案

Inew = 148.8 A
7.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 56.14 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/(ωC) = 1/(2π·100·10·10⁻⁶) = 159.2 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 = 12/60 = 0.2 A
IX = V/XC = 12/159.2 = 0.0754 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) = √(0.2² + 0.0754²) = 0.2137 A

阻抗

|Z| = V/I = 12/0.2137 = 56.14 Ω

答案

|Z| = 56.14 Ω
8.交流阻抗和相量

答案: f0 = 35.59 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·√(0.2·100·10⁻⁶)) = 35.59 Hz

答案

f0 = 35.59 Hz
9.直流电机

答案: η = 82.08 %

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。

各功率

Pin = 24·5 = 120 W
Pdev = 21.5·5 = 107.5 W
Pout = 107.5 − 9 = 98.5 W

效率

η = 98.5/120·100 = 82.08 %

答案

η = 82.08 %
10.直流电机

答案: n2 = 926.8 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 = 220 − 15·1 = 205 V
E2 = 220 − 30·1 = 190 V

新的转速

n2 = 1000·190/205 = 926.8 rpm

答案

n2 = 926.8 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems