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​ = ?M30 kW, η = 93%cos φ = 0.85

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 0.85(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0.85VL = 480 V
IL = A
2.三相电困难
P = 60 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 60 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 0.98(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 = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 8 Ω21240 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 240 V 电压。二次绕组两端接一个 8 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 8 Ω
I1 = A
4.变压器困难
50 kVA

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 400 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?

S = 50 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 276 W2 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 2 A 和 276 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 2 AP = 276 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 25 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 10 ΩL = 10 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 10 Ω,L = 10 mH,C = 0.47 µF。 求其带宽 B(两个半功率频率之间的频带宽度),以 Hz 表示。

R = 10 ΩL = 10 mHC = 0.47 µF
B = Hz
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 0.75 N·m/A,Ra = 1 Ω,接到 240 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 240 Vk = 0.75 N·m/ARa = 1 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0.8 ΩM+−En = 400 rpmT = 8 N·m

某直流电机(k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)接在固定的 120 V 电源上,带动 8 N·m 的负载。求把转速降到 400 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 120 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 8 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω

3溶液

1.三相电

答案: IL = 45.65 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 = 30/0.93 = 32.26 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·480·0.85) = 45.65 A

答案

IL = 45.65 A
2.三相电

答案: Cph = 505.4 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 = 60·tan(acos 0.8) = 60·0.75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 32.82 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10939/(377·239.6²) = 505.4 µF

答案

Cph = 505.4 µF
3.变压器

答案: I1 = 7.5 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 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/8 = 15 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 7.5 A

答案

I1 = 7.5 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 32 Ω,240/32 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 28.87 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。

铜损等于铁损

x²·1200 = 400 → x = √(400/1200) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·50 = 28.87 kVA

答案

Sη,max = 28.87 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: R = 69 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 276/2² = 69 Ω

答案

R = 69 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 8.1 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。

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 = 25·tan(36.87°) = 18.75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23.07°) = 10.65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.1 kvar

答案

QC = 8.1 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.5253 A

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.1 = 37.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−227.6)²) = 228.4 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/228.4 = 0.5253 A

答案

I = 0.5253 A
8.交流阻抗和相量

答案: B = 159.2 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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.01·0.47·10⁻⁶)) = 2322 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0.01/(0.47·10⁻⁶)) = 14.59

带宽

B = f0/Q = 2322/14.59 = 159.2 Hz

答案

B = 159.2 Hz
9.直流电机

答案: Tstall = 180 N·m

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。

堵转电流

Ia = V/Ra = 240/1 = 240 A

堵转转矩

Tstall = 0.75·240 = 180 N·m

答案

Tstall = 180 N·m
10.直流电机

答案: Rs = 7.849 Ω

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。

电流与反电动势

Ia = 8/0.8 = 10 A
E = 0.8·41.89 = 33.51 V

串联电阻

Ra + Rs = (120 − 33.51)/10 = 8.649 Ω
Rs = 7.849 Ω

答案

Rs = 7.849 Ω

该电阻消耗 784.9 W;斩波器调速的损耗要小得多。

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