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​ = 415 VNZ = 3 + j4 Ω每相

一个每相阻抗为 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 100 kW,功率因数为 0.8(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。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 100 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
10 Ω121

一个 10 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 12:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 12:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
4.变压器困难
pf 0.950 kVA, η = 96%

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 250 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 96%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0.9η = 96%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 5 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求线路电流 I。

P = 5 kWpf = 0.65V = 230 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
100 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

一个 100 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 4 + j6 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 = 100 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j6 Ω
Pmax = W
7.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 50 HzRL = 200 mHC = ?

一个 L = 200 mH 的 RLC 串联电路必须在 50 Hz 发生谐振。求所需的电容 C。

f0 = 50 HzL = 200 mH
C = µF
8.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 15 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路由 1 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。

V = 1 V (rms)R = 15 ΩL = 20 mHC = 0.22 µF
VL = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)4.8 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.4 N·m/A,Ra = 0.25 Ω)由 48 V 供电,带动 4.8 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 48 Vk = 0.4 N·m/ARa = 0.25 ΩT = 4.8 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 50 → 30 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 50 A。负载变化后电流变为 30 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 120 VRa = 0.25 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 50 AIa2 = 30 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 20.67 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| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 239.6/5 = 47.92 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 = 3·47.92²·3 = 20.67 kW

答案

P = 20.67 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 136.4 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 = 100·tan(acos 0.8) = 100·0.75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.9) = 100·0.4843 = 48.43 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 26.57 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8856/(377·415²) = 136.4 µF

答案

Cph = 136.4 µF
3.变压器

答案: R1′ = 1440 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 12²·10 = 1440 Ω

答案

R1′ = 1440 Ω
4.变压器

答案: Pcu,fl = 1625 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 = 50·0.9 = 45 kW
Pin = 45000/0.96 = 46875 W

总损耗和铜损

Ploss = 46875 − 45000 = 1875 W
Pcu,fl = 1875 − 250 = 1625 W

答案

Pcu,fl = 1625 W
5.交流功率和功率因数

答案: I = 33.44 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 5000/(230·0.65) = 33.44 A

答案

I = 33.44 A
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 625 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* = 4 − j6 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 100/8 = 12.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·4) = 625 W

答案

Pmax = 625 W
7.交流阻抗和相量

答案: C = 50.66 µF

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·50 = 314.2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314.2²·0.2) = 50.66 µF

答案

C = 50.66 µF
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 20.1 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

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·0.22·10⁻⁶) = 15076 rad/s
I = V/R = 1/15 = 0.06667 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 15076·0.02 = 301.5 Ω
VL = I·XL = 0.06667·301.5 = 20.1 V

答案

VL = 20.1 V

这是电源电压的 Q = 20.1 倍。

9.直流电机

答案: n = 1074 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 = 4.8/0.4 = 12 A

反电动势与转速

E = 48 − 12·0.25 = 45 V
ω = E/k = 112.5 rad/s → n = 1074 rpm

答案

n = 1074 rpm
10.直流电机

答案: n2 = 1884 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 − 50·0.25 = 107.5 V
E2 = 120 − 30·0.25 = 112.5 V

新的转速

n2 = 1800·112.5/107.5 = 1884 rpm

答案

n2 = 1884 rpm

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