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​ = 690 VIL​ = ?M22 kW, η = 93%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 22 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 93%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
2.三相电困难
P = 80 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 80 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 0.98(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。

P = 80 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
2 ΩN1​N2​128 Ω

一台输出电阻为 128 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 2 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 128 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 128 ΩRL = 2 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.9250 kVA, η = 97.5%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 97.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 15 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 15 kW,功率因数为 0.75(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 15 kWpf = 0.75V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载22 kW, 0.8C470 µFI

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 22 kW,功率因数为 0.8(滞后)。一个 470 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 22 kWpf1 = 0.8V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
120 V200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 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)。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
50 V50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
f0 = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)7.5 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.75 N·m/A,Ra = 1.2 Ω)由 220 V 供电,带动 7.5 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 220 Vk = 0.75 N·m/ARa = 1.2 ΩT = 7.5 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−220 VD = ?Ra​ = 0.4 ΩM+−En = 500 rpmT = 3.6 N·m

某直流斩波器从 220 V 直流母线给电机(k = 0.3 V·s/rad,Ra = 0.4 Ω)供电。平均电枢电压为 D·220 V。求使电机在 3.6 N·m 负载下以 500 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 220 Vk = 0.3 V·s/radRa = 0.4 ΩT = 3.6 N·mn = 500 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: IL = 24.14 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 = 22/0.93 = 23.66 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23656/(√3·690·0.82) = 24.14 A

答案

IL = 24.14 A
2.三相电

答案: Cph = 476.1 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 = 80·tan(acos 0.65) = 80·1.169 = 93.53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 77.29 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25762/(314.2·415²) = 476.1 µF

答案

Cph = 476.1 µF
3.变压器

答案: a = 8

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

a²·2 = 128
a = √(128/2) = √64 = 8

答案

a = 8
4.变压器

答案: Pcu,fl = 3769 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 = 225000/0.975 = 230769 W

总损耗和铜损

Ploss = 230769 − 225000 = 5769 W
Pcu,fl = 5769 − 2000 = 3769 W

答案

Pcu,fl = 3769 W
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 13.23 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(0.75) = 41.41°, tan φ = 0.8819

无功功率

Q = P·tan φ = 15·0.8819 = 13.23 kvar

答案

Q = 13.23 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9513

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 = 22·tan(arccos 0.8) = 16.5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9.373 kvar
Q2 = 16.5 − 9.373 = 7.127 kvar

新的视在功率

S2 = √(22² + 7.127²) = 23.13 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 22/23.13 = 0.9513

答案

cos φ = 0.9513
7.交流阻抗和相量

答案: φ = −84.27 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.05 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−298.9)²) = 300.4 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−298.9/30) = −84.27°

答案

φ = −84.27°
8.交流阻抗和相量

答案: f0 = 328.3 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·√(0.05·4.7·10⁻⁶)) = 328.3 Hz

答案

f0 = 328.3 Hz
9.直流电机

答案: n = 2648 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。

电枢电流

Ia = T/k = 7.5/0.75 = 10 A

反电动势与转速

E = 220 − 10·1.2 = 208 V
ω = E/k = 277.3 rad/s → n = 2648 rpm

答案

n = 2648 rpm
10.直流电机

答案: D = 9.322 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.3·52.36 + 12·0.4 = 20.51 V

占空比

D = 20.51/220 = 9.322 %

答案

D = 9.322 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems