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​ = 690 VIL​ = 150 Acos φ = 0.85滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 150 A 的线电流,功率因数为 0.85(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0.85
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)、60 Hz 的电源取用 250 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 = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
480 V240 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

一台单相 50 kVA、480/240 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 = 50 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
4.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 450 W,额定负载下铜损为 1350 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1350 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 40 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 40 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 40 kWpf = 0.9V = 400 V
Q = kvar
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 0.65(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 = 0.65pf2 = 0.95V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
10 V1000 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 1 µF

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、1000 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 = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 1 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
50 V60 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 50 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 50 V (rms)f = 60 HzR1 = 40 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
I = A
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)8 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.4 V·s/rad,Ra = 0.2 Ω)由 110 V 供电。满载时电流为 20 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。

V = 110 Vk = 0.4 V·s/radRa = 0.2 ΩIFL = 20 A
SR = %
10.直流电机困难
+−48 VRa​ = 0.5 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 0.5 Ω,由 48 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 48 VRa = 0.5 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: P = 152.4 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·690·150 = 179.3 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 179.3·0.85 = 152.4 kW

答案

P = 152.4 kW
2.三相电

答案: Cph = 1449 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 = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.92) = 250·0.426 = 106.5 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 94.07 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) = 31357/(377·239.6²) = 1449 µF

答案

Cph = 1449 µF
3.变压器

答案: IHV = 104.2 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 = 50000/480 = 104.2 A

答案

IHV = 104.2 A
4.变压器

答案: Sη,max = 43.3 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

x²·1350 = 450 → x = √(450/1350) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·75 = 43.3 kVA

答案

Sη,max = 43.3 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 19.37 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(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 40·0.4843 = 19.37 kvar

答案

Q = 19.37 kvar
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(49.46°) = 46.77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18.19°) = 13.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33.62 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: φ = 86.95 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.1 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (469.2)²) = 469.8 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(469.2/25) = 86.95°

答案

φ = 86.95°
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.6716 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·60·47·10⁻⁶) = 56.44 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 = 28.17 − j29.94 Ω

总阻抗

Z = 40 + 28.17 − j29.94 = 68.17 − j29.94 Ω
|Z| = √(68.17² + 29.94²) = 74.45 Ω

电流

I = V/|Z| = 50/74.45 = 0.6716 A

答案

I = 0.6716 A
9.直流电机

答案: SR = 3.774 %

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。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·110/(2π·0.4) = 2626 rpm
nFL = 60·(110 − 20·0.2)/(2π·0.4) = 2531 rpm

转速调整率

SR = (2626 − 2531)/2531·100 = 3.774 %

答案

SR = 3.774 %
10.直流电机

答案: Pmax = 1152 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·0.5) = 1152 W

答案

Pmax = 1152 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

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