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 VZ = 12 + j9 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j9 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 = 12 + j9 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 50 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
75 ΩN1​N2​1200 Ω

一台输出电阻为 1200 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 75 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 1200 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 1200 ΩRL = 75 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.8250 kVA, η = 98.5%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 1500 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 98.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 1500 Wpf = 0.8η = 98.5%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 2376 W11 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 11 A 和 2376 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 240 VI = 11 AP = 2376 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载16 kW, 0.75C470 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 16 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 470 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 16 kWpf1 = 0.75V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
7.交流阻抗和相量中等
12 V50 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、50 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 = 50 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 100 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
10 V100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

某直流电机在 1200 rpm 下输出 2.2 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 2.2 kWn = 1200 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−48 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 300 rpmT = 0.6 N·m

某直流斩波器从 48 V 直流母线给电机(k = 0.3 V·s/rad,Ra = 1 Ω)供电。平均电枢电压为 D·48 V。求使电机在 0.6 N·m 负载下以 300 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 48 Vk = 0.3 V·s/radRa = 1 ΩT = 0.6 N·mn = 300 rpm
D = %

3溶液

1.三相电

答案: P = 36.86 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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 480/15 = 32 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 = 3·32²·12 = 36.86 kW

答案

P = 36.86 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 687.9 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 = 50·tan(acos 0.7) = 50·1.02 = 51.01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.95) = 50·0.3287 = 16.43 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 34.58 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 = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11525/(314.2·230.9²) = 687.9 µF

答案

Cph = 687.9 µF
3.变压器

答案: a = 4

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。

匹配折算负载

a²·75 = 1200
a = √(1200/75) = √16 = 4

答案

a = 4
4.变压器

答案: Pcu,fl = 1546 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 = 200000/0.985 = 203046 W

总损耗和铜损

Ploss = 203046 − 200000 = 3046 W
Pcu,fl = 3046 − 1500 = 1546 W

答案

Pcu,fl = 1546 W
5.交流功率和功率因数

答案: X = 9.51 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 = 2376/11² = 19.64 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 240/11 = 21.82 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(21.82² − 19.64²) = 9.51 Ω

答案

X = 9.51 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.9438

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 = 16·tan(arccos 0.75) = 14.11 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8.505 kvar
Q2 = 14.11 − 8.505 = 5.606 kvar

新的视在功率

S2 = √(16² + 5.606²) = 16.95 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 16/16.95 = 0.9438

答案

cos φ = 0.9438
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 37.78 °

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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.2 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·100·10⁻⁶) = 31.83 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (31)²) = 50.61 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(31/40) = 37.78°

答案

φ = 37.78°
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.7246 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.1 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (−9.511)²) = 13.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 10/13.8 = 0.7246 A

答案

I = 0.7246 A
9.直流电机

答案: T = 17.51 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·1200/60 = 125.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 2200/125.7 = 17.51 N·m

答案

T = 17.51 N·m
10.直流电机

答案: D = 23.8 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.3·31.42 + 2·1 = 11.42 V

占空比

D = 11.42/48 = 23.8 %

答案

D = 23.8 %

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