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​ = ?M30 kW, η = 95%cos φ = 0.88

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 95%,功率因数为 0.88(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 95%cos φ = 0.88VL = 480 V
IL = A
2.三相电困难
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 100 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 0.95(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 100 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
4 ΩN1​N2​144 Ω

一台输出电阻为 144 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 4 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 144 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 144 ΩRL = 4 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.950 kVA, η = 99%

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 250 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 Pcu,fl,以 W 计。

S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0.9η = 99%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
400 V115 kW, 0.65211 kW, 0.8I = ?

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 15 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载,以及一个 11 kW、功率因数为 0.8(超前)的负载。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 400 VP1 = 15 kW, pf1 = 0.65 滞后P2 = 11 kW, pf2 = 0.8 超前
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 102 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 102 kW、功率因数为 0.65(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 = 200 kVAP1 = 102 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
12 V60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、60 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 = 60 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
24 V500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 100 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)4 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1 V·s/rad,Ra = 2 Ω)由 240 V 供电。满载时电流为 4 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 = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 4 A
SR = %
10.直流电机困难
+−110 VRa​ = 1.2 ΩIa​: 5 → 3 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 110 V 供电(Ra = 1.2 Ω),在 1500 rpm 下运转,电枢电流为 5 A。负载变化后电流变为 3 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 110 VRa = 1.2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 5 AIa2 = 3 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: IL = 43.16 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 30/0.95 = 31.58 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 31579/(√3·480·0.88) = 43.16 A

答案

IL = 43.16 A
2.三相电

答案: QC = 55.32 kvar

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 = 100·tan(acos 0.75) = 100·0.8819 = 88.19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 55.32 kvar

答案

QC = 55.32 kvar
3.变压器

答案: a = 6

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

a²·4 = 144
a = √(144/4) = √36 = 6

答案

a = 6
4.变压器

答案: Pcu,fl = 204.5 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·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 = 50·0.9 = 45 kW
Pin = 45000/0.99 = 45455 W

总损耗和铜损

Ploss = 45455 − 45000 = 454.5 W
Pcu,fl = 454.5 − 250 = 204.5 W

答案

Pcu,fl = 204.5 W
5.交流功率和功率因数

答案: I = 69.02 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。

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 = 15·tan(arccos 0.65) = 17.54 kvar
Q2 = −11·tan(arccos 0.8) = −8.25 kvar

总计

P = 15 + 11 = 26 kW
Q = 17.54 + (−8.25) = 9.287 kvar
S = √(26² + 9.287²) = 27.61 kVA

总电流

I = S/V = 27609/400 = 69.02 A

答案

I = 69.02 A
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 58.56 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 = 102·tan(arccos 0.65) = 119.3 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) = √(200² − 119.3²) = 160.6 kW

增加的有功功率

ΔP = 160.6 − 102 = 58.56 kW

答案

ΔP = 58.56 kW
7.交流阻抗和相量

答案: φ = −83.85 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.02 = 7.54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4.7·10⁻⁶) = 564.4 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−556.8)²) = 560.1 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−556.8/60) = −83.85°

答案

φ = −83.85°
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 0.1619 V

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
XL = ωL = 3142·0.15 = 471.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3.183 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (468.1)²) = 471.9 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/471.9 = 0.05086 A

电容电压

VC = I·XC = 0.05086·3.183 = 0.1619 V

答案

VC = 0.1619 V
9.直流电机

答案: SR = 3.448 %

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 = 60·240/(2π·1) = 2292 rpm
nFL = 60·(240 − 4·2)/(2π·1) = 2215 rpm

转速调整率

SR = (2292 − 2215)/2215·100 = 3.448 %

答案

SR = 3.448 %
10.直流电机

答案: n2 = 1535 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。

变化前后的反电动势

E1 = 110 − 5·1.2 = 104 V
E2 = 110 − 3·1.2 = 106.4 V

新的转速

n2 = 1500·106.4/104 = 1535 rpm

答案

n2 = 1535 rpm

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