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: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ 联结: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
总有功功率: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
视在功率和无功功率: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
补偿电容: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
每个电容上的电压: Δ：V_L Y：V_L/√3
电动机输入: P_in = P_out/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·Z_L
部分负载时的铜损: P_cu = x²·P_cu,fl
效率: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
最高效率: x = √(P_core/P_cu,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: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

交流阻抗和相量

阻抗: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 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

换算频率：ω = 2πf。
求各电抗：X_L = ωL，X_C = 1/(ωC)。
像电阻一样把阻抗相加，Z = R + jX。
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 + I_aR_a
反电动势与转矩: E = k·ω, T = k·I_a
速率: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
空载转速与堵转转矩: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
各功率: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
起动: I_start = V/(R_a + R_st)
转速调整率: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
最大电磁功率: P_max = V²/(4R_a)
斩波驱动: V_a = D·V_dc

方法

画出电枢回路：电源 V、电阻 R_a 和反电动势 E 串联。
用 V = E + I_a·R_a 把电压、电流和反电动势联系起来。
转速用 E = k·ω，转矩用 T = k·I_a，其中 ω = 2π·n/60。
对于功率和效率，从 V·I_a 出发，减去铜损 I_a²·R_a，再减去旋转损耗。

2练习题

1.三相电中等

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 75 A 的线电流，功率因数为 0.92（滞后）。求负载取用的总有功功率 P，以 kW 计。

V_L = 480 VI_L = 75 Acos φ = 0.92

P = kW

2.三相电困难

一个对称三相负载从 480 V（线电压）、60 Hz 的电源取用 150 kW，功率因数为 0.75（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。求电容器组须提供的总无功功率 Q_C，以 kvar 计。

P = 150 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.9V_L = 480 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

3.变压器中等

一台单相 500 kVA、2400/240 V 变压器在额定负载下运行，视为理想变压器。求低压绕组中的电流 I_LV。

S = 500 kVAV₁ = 2400 VV₂ = 240 V

I_LV = A

4.变压器困难

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 150 W。在额定负载、功率因数为 0.9（滞后）时，其效率为 99%。求满载铜损 P_cu,fl，以 W 计。

S = 50 kVAP_core = 150 Wpf = 0.9η = 99%

P_cu,fl = W

5.交流功率和功率因数中等

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 32 kW，功率因数为 0.65（滞后）。求它吸收的无功功率 Q。

P = 32 kWpf = 0.65V = 240 V

Q = kvar

6.交流功率和功率因数困难

一个 12 V（有效值）、50 Hz 的电源具有内阻抗 Z_s = 10 + j15 Ω。负载阻抗 Z_L 可以自由选择。求能传输给负载的最大有功功率 P_max。

V_s = 12 V (rms)f = 50 HzZ_s = 10 + j15 Ω

P_max = W

7.交流阻抗和相量中等

一个串联 RLC 电路接在 12 V（有效值）、500 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 = 12 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 47 µF

φ = °

8.交流阻抗和相量困难

一个串联 RLC 电路接在 24 V（有效值）、50 Hz 的电源上。求电路的谐振频率 f₀。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 22 µF

f₀ = Hz

9.直流电机中等

某直流电机（k = 1.2 N·m/A，R_a = 1.5 Ω）由 220 V 供电，带动 9.6 N·m 的负载转矩。求它的转速 n，单位为 rpm。

V = 220 Vk = 1.2 N·m/AR_a = 1.5 ΩT = 9.6 N·m

n = rpm

10.直流电机困难

某直流斩波器从 240 V 直流母线给电机（k = 0.8 V·s/rad，R_a = 2 Ω）供电。平均电枢电压为 D·240 V。求使电机在 4.8 N·m 负载下以 400 rpm 运转的占空比 D。

V_dc = 240 Vk = 0.8 V·s/radR_a = 2 ΩT = 4.8 N·mn = 400 rpm

D = %

3溶液

1.三相电

答案: P = 57.37 kW

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，V_L = √3·V_ph，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，I_L = √3·I_ph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。

视在功率

S = √3·V_L·I_L = √3·480·75 = 62.35 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 62.35·0.92 = 57.37 kW

答案

P = 57.37 kW

2.三相电

答案: Q_C = 59.64 kvar

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，V_L = √3·V_ph，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，I_L = √3·I_ph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。 功率因数校正：电容就地提供无功功率，Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂)。三个电容各提供 Q_C/3 = V²·ω·C，其中 V 是该电容两端的电压：Δ 联结电容器组为 V_L，Y 联结电容器组为 V_L/√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 = 150·tan(acos 0.75) = 150·0.8819 = 132.3 kvar

Q₂ = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

电容提供的无功功率

Q_C = Q₁ − Q₂ = 59.64 kvar

答案

Q_C = 59.64 kvar

3.变压器

答案: I_LV = 2083 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。

I_LV = S/V = 500000/240 = 2083 A

答案

I_LV = 2083 A

4.变压器

答案: P_cu,fl = 304.5 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·P_cu,fl。效率 η = P_out/(P_out + P_core + P_cu)，其中 P_out = 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

P_out = 50·0.9 = 45 kW

P_in = 45000/0.99 = 45455 W

总损耗和铜损

P_loss = 45455 − 45000 = 454.5 W

P_cu,fl = 454.5 − 150 = 304.5 W

答案

P_cu,fl = 304.5 W

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 37.41 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(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169

无功功率

Q = P·tan φ = 32·1.169 = 37.41 kvar

答案

Q = 37.41 kvar

6.交流功率和功率因数

答案: P_max = 3.6 W

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗，负载电阻等于电源电阻。

Z_L = Z_s* = 10 − j15 Ω

最大功率

I = V_s/(2R_s) = 12/20 = 0.6 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 12²/(4·10) = 3.6 W

答案

P_max = 3.6 W

7.交流阻抗和相量

答案: φ = 85.35 °

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·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.1 = 314.2 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6.773 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加：Z = R + j(X_L − X_C)。

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(25² + (307.4)²) = 308.4 Ω

相角

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(307.4/25) = 85.35°

答案

φ = 85.35°

8.交流阻抗和相量

答案: f₀ = 67.86 Hz

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·√(0.25·22·10⁻⁶)) = 67.86 Hz

答案

f₀ = 67.86 Hz

9.直流电机

答案: n = 1655 rpm

直流电机：电枢是电阻 R_a 与反电动势 E 串联，所以 V = E + I_a·R_a。反电动势随转速增大，E = k·ω；转矩随电流增大，T = k·I_a；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·I_a = T·ω；输入功率为 V·I_a，差值由铜损 I_a²R_a 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降，ω = V/k − R_a·T/k²，从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/R_a 处的零。静止时 E = 0，所以起动电流 V/R_a 很大，除非用电阻限流。

电枢电流

I_a = T/k = 9.6/1.2 = 8 A

反电动势与转速

E = 220 − 8·1.5 = 208 V

ω = E/k = 173.3 rad/s → n = 1655 rpm

答案

n = 1655 rpm

10.直流电机

答案: D = 18.96 %

所需电枢电压

V_a = 0.8·41.89 + 6·2 = 45.51 V

占空比

D = 45.51/240 = 18.96 %

答案

D = 18.96 %

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