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​ = 480 VZ = 24 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 480 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 = 480 VZ = 24 + j7 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 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 0.92(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 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

一台单相 150 kVA、2400/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 150 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
4.变压器困难
pf 0.95150 kVA, 50% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 450 W,额定负载下铜损为 1800 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1800 Wx = 0.5pf = 0.95
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 33 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 33 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求线路电流 I。

P = 33 kWpf = 0.65V = 240 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 40 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求新的线路电流 Inew。

P = 40 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
24 V60 HzR = 20 ΩL = 100 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 24 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 100 mH
I = A
8.交流阻抗和相量困难
50 V50 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 100 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 50 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 50 V (rms)f = 50 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 100 µF
I = A
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

某直流电机在 1000 rpm 下输出 5.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 5.5 kWn = 1000 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 0.4 ΩM+−En = ?T = 24 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 0.6 V·s/rad,Ra = 0.4 Ω,V = 240 V)带动 24 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 70 %。求新的转速 n。

V = 240 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.4 ΩT = 24 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 26.54 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 = VL = 480 V

相电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19.2 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 = 3·19.2²·24 = 26.54 kW

答案

P = 26.54 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.96,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 301.9 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 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 45.15 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15051/(314.2·398.4²) = 301.9 µF

答案

Cph = 301.9 µF
3.变压器

答案: IHV = 62.5 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。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

IHV = S/V = 150000/2400 = 62.5 A

答案

IHV = 62.5 A
4.变压器

答案: Ploss = 900 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 = 0.25·1800 = 450 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 450 + 450 = 900 W

答案

Ploss = 900 W

此负载下的效率为 η = 98.75%。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 211.5 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。

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) = 33000/(240·0.65) = 211.5 A

答案

I = 211.5 A
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 175.4 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 = 40·tan(36.87°) = 30 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18.19°) = 13.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16.85 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(240·0.95) = 175.4 A

答案

Inew = 175.4 A
7.交流阻抗和相量

答案: I = 1.358 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

XL = ωL = 2π·60·0.1 = 37.7 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 = 24/37.7 = 0.6366 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 + 0.6366²) = 1.358 A

答案

I = 1.358 A
8.交流阻抗和相量

答案: I = 1.208 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

XC = 1/(2π·50·100·10⁻⁶) = 31.83 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 10.93 − j27.48 Ω

总阻抗

Z = 20 + 10.93 − j27.48 = 30.93 − j27.48 Ω
|Z| = √(30.93² + 27.48²) = 41.38 Ω

电流

I = V/|Z| = 50/41.38 = 1.208 A

答案

I = 1.208 A
9.直流电机

答案: T = 52.52 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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 5500/104.7 = 52.52 N·m

答案

T = 52.52 N·m
10.直流电机

答案: n = 4937 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。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.7·0.6 = 0.42 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 24/0.42 = 57.14 A

新的转速

ω = (240 − 57.14·0.4)/0.42 = 517 rad/s → n = 4937 rpm

答案

n = 4937 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems