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

一个每相阻抗为 18 + j24 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。

V_L = 480 VZ = 18 + j24 Ω 每相

P = kW

2.三相电困难

一个对称三相负载从 480 V（线电压）、50 Hz 的电源取用 60 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 0.92（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 C_ph，以 µF 计。

P = 60 kWpf₁ = 0.7pf₂ = 0.92V_L = 480 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.变压器中等

一台单相 150 kVA、480/240 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 = 150 kVAV₁ = 480 VV₂ = 240 V

I_LV = A

4.变压器困难

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 75 W。在额定负载、功率因数为 0.85（滞后）时，其效率为 96.5%。求满载铜损 P_cu,fl，以 W 计。

S = 25 kVAP_core = 75 Wpf = 0.85η = 96.5%

P_cu,fl = W

5.交流功率和功率因数中等

一个阻抗为 Z = 24 + j7 Ω 的负载接在 230 V（有效值）的单相电源上。求视在功率 S。

V = 230 VZ = 24 + j7 Ω

S = VA

6.交流功率和功率因数困难

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 35 kW，功率因数为 0.75（滞后）。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。求电容需提供的无功功率 Q_C。

P = 35 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.95V = 240 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

7.交流阻抗和相量中等

一个串联 RLC 电路接在 50 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 = 50 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µF

φ = °

8.交流阻抗和相量困难

一个串联 RLC 电路接在 120 V（有效值）、100 Hz 的电源上。求电路的谐振频率 f₀。

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 100 µF

f₀ = Hz

9.直流电机中等

某直流电机（k = 2 V·s/rad，R_a = 1.5 Ω）由 240 V 供电。满载时电流为 15 A。忽略空载电流，求它的转速调整率 SR = (n₀ − n_FL)/n_FL，以百分数表示。

V = 240 Vk = 2 V·s/radR_a = 1.5 ΩI_FL = 15 A

SR = %

10.直流电机困难

某他励直流电机（满励磁时 k = 0.6 V·s/rad，R_a = 2 Ω，V = 220 V）带动 3 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 70 %。求新的转速 n。

V = 220 Vk = 0.6 V·s/radR_a = 2 ΩT = 3 N·mΦ = 70 %

n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 13.82 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。

相电压

V_ph = V_L = 480 V

相电流

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω

I_ph = 480/30 = 16 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·I_ph²·R = 3·16²·18 = 13.82 kW

答案

P = 13.82 kW

验算：cos φ = R/|Z| = 0.6，用 √3·V_L·I_L·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: C_ph = 164.2 µF

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 = 60·tan(acos 0.7) = 60·1.02 = 61.21 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

电容提供的无功功率

Q_C = Q₁ − Q₂ = 35.65 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

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 11884/(314.2·480²) = 164.2 µF

答案

C_ph = 164.2 µF

3.变压器

答案: I_LV = 625 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 = 150000/240 = 625 A

答案

I_LV = 625 A

4.变压器

答案: P_cu,fl = 695.7 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 = 25·0.85 = 21.25 kW

P_in = 21250/0.965 = 22021 W

总损耗和铜损

P_loss = 22021 − 21250 = 770.7 W

P_cu,fl = 770.7 − 75 = 695.7 W

答案

P_cu,fl = 695.7 W

5.交流功率和功率因数

答案: S = 2116 VA

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。

电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω

I = V/|Z| = 230/25 = 9.2 A

视在功率

S = V·I = 230·9.2 = 2116 VA

答案

S = 2116 VA

6.交流功率和功率因数

答案: Q_C = 19.36 kvar

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 = 35·tan(41.41°) = 30.87 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 35·tan(18.19°) = 11.5 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 19.36 kvar

答案

Q_C = 19.36 kvar

7.交流阻抗和相量

答案: φ = 16.71 °

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

X_L = ωL = 377·0.15 = 56.55 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 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) = √(100² + (30.02)²) = 104.4 Ω

相角

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(30.02/100) = 16.71°

答案

φ = 16.71°

8.交流阻抗和相量

答案: f₀ = 31.83 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·√(0.25·100·10⁻⁶)) = 31.83 Hz

答案

f₀ = 31.83 Hz

9.直流电机

答案: SR = 10.34 %

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。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·240/(2π·2) = 1146 rpm

n_FL = 60·(240 − 15·1.5)/(2π·2) = 1038 rpm

转速调整率

SR = (1146 − 1038)/1038·100 = 10.34 %

答案

SR = 10.34 %

10.直流电机

答案: n = 4677 rpm

减弱后的电机常数

k₂ = 0.7·0.6 = 0.42 V·s/rad

新的电枢电流

I_a = 3/0.42 = 7.143 A

新的转速

ω = (220 − 7.143·2)/0.42 = 489.8 rad/s → n = 4677 rpm

答案

n = 4677 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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