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​ = 75 Acos φ = 0.9滞后

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 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0.9
P = kW
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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 0.98(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 = 50 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

一台单相 50 kVA、11000/400 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 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
4.变压器困难
pf 0.8250 kVA, η = 96.5%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 750 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 96.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 750 Wpf = 0.8η = 96.5%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
230 V123 kW, 0.75213 kW, 0.95I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 23 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载,以及一个 13 kW、功率因数为 0.95(超前)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 23 kW, pf1 = 0.75 滞后P2 = 13 kW, pf2 = 0.95 超前
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 41 kWQ1​S1​φ

一台 100 kVA 的单相变压器为一个 41 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 100 kVAP1 = 41 kWpf1 = 0.75
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
230 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
120 V60 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 80 ΩC = 100 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR1 = 25 ΩR2 = 80 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 2 N·m/A,Ra = 0.5 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 = 2 N·m/ARa = 0.5 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
+−110 VRst​ = ?Ra​ = 1.5 Ω10 AM+−E = 0n = 0T

某 110 V 直流电机的电枢电阻为 1.5 Ω。求把起动电流限制在 10 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 110 VRa = 1.5 ΩImax = 10 A
Rst = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 56.12 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 = √3·480·75 = 62.35 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 62.35·0.9 = 56.12 kW

答案

P = 56.12 kW
2.三相电

答案: Cph = 138 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 = 50·tan(acos 0.78) = 50·0.8023 = 40.11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 29.96 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 = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9987/(314.2·480²) = 138 µF

答案

Cph = 138 µF
3.变压器

答案: IHV = 4.545 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 = 50000/11000 = 4.545 A

答案

IHV = 4.545 A
4.变压器

答案: Pcu,fl = 6504 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 = 250·0.8 = 200 kW
Pin = 200000/0.965 = 207254 W

总损耗和铜损

Ploss = 207254 − 200000 = 7254 W
Pcu,fl = 7254 − 750 = 6504 W

答案

Pcu,fl = 6504 W
5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9137

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 23·tan(arccos 0.75) = 20.28 kvar
Q2 = −13·tan(arccos 0.95) = −4.273 kvar

总计

P = 23 + 13 = 36 kW
Q = 20.28 + (−4.273) = 16.01 kvar
S = √(36² + 16.01²) = 39.4 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 36/39.4 = 0.9137 滞后

答案

cos φ = 0.9137
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 52.23 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 41·tan(arccos 0.75) = 36.16 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 36.16²) = 93.23 kW

增加的有功功率

ΔP = 93.23 − 41 = 52.23 kW

答案

ΔP = 52.23 kW
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.928 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.25 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79.58 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (234.6)²) = 247.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/247.8 = 0.928 A

答案

I = 0.928 A
8.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 40.68 Ω

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·60·100·10⁻⁶) = 26.53 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 = 7.924 − j23.9 Ω

总阻抗

Z = 25 + 7.924 − j23.9 = 32.92 − j23.9 Ω
|Z| = √(32.92² + 23.9²) = 40.68 Ω

答案

|Z| = 40.68 Ω
9.直流电机

答案: Tstall = 960 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 = 240/0.5 = 480 A

堵转转矩

Tstall = 2·480 = 960 N·m

答案

Tstall = 960 N·m
10.直流电机

答案: Rst = 9.5 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。

总电阻

Ra + Rst = 110/10 = 11 Ω

起动电阻

Rst = 11 − 1.5 = 9.5 Ω

答案

Rst = 9.5 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

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