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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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​ = 400 VNZ = 20 + j15 Ω每相

一个每相阻抗为 20 + j15 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 400 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 = 400 VZ = 20 + j15 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 300 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。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
480 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

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。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 150 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
4.变压器困难
pf 0.925 kVA, 25% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 75 W,额定负载下铜损为 225 W。 它以 0.9(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 75 WPcu,fl = 225 Wx = 0.25pf = 0.9
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
240 VZ24 + j7 ΩI

一个阻抗为 Z = 24 + j7 Ω 的负载接在 240 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的有功功率 P。

V = 240 VZ = 24 + j7 Ω
P = W
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 7 kWQ1​S1​φ

一台 25 kVA 的单相变压器为一个 7 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 = 25 kVAP1 = 7 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
12 V500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
24 V500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 47 µF
I = A
9.直流电机中等
+−24 VRa​ = 0.2 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

某直流电机从 24 V 电源吸取 15 A 电流。其电枢电阻为 0.2 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 13 W。求它的效率 η。

V = 24 VIa = 15 ARa = 0.2 ΩProt = 13 W
η = %
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 40 → 10 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 240 V 供电(Ra = 0.25 Ω),在 1000 rpm 下运转,电枢电流为 40 A。负载变化后电流变为 10 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 240 VRa = 0.25 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 40 AIa2 = 10 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 5.12 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。

相电压

Vph = 400/√3 = 230.9 V

相电流

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 230.9/25 = 9.238 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 = 3·9.238²·20 = 5.12 kW

答案

P = 5.12 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 = 1373 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 = 300·tan(acos 0.75) = 300·0.8819 = 264.6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.9) = 300·0.4843 = 145.3 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 119.3 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39759/(377·277.1²) = 1373 µF

答案

Cph = 1373 µF
3.变压器

答案: IHV = 312.5 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 = 150000/480 = 312.5 A

答案

IHV = 312.5 A
4.变压器

答案: Ploss = 89.06 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。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.0625·225 = 14.06 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 75 + 14.06 = 89.06 W

答案

Ploss = 89.06 W

此负载下的效率为 η = 98.44%。

5.交流功率和功率因数

答案: P = 2212 W

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| = 240/25 = 9.6 A

有功功率

P = I²·R = 9.6²·24 = 2212 W

答案

P = 2212 W
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 16.62 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 = 7·tan(arccos 0.65) = 8.184 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) = √(25² − 8.184²) = 23.62 kW

增加的有功功率

ΔP = 23.62 − 7 = 16.62 kW

答案

ΔP = 16.62 kW
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.02135 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.2 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (560.6)²) = 562 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/562 = 0.02135 A

答案

I = 0.02135 A
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1593 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 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(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (150.3)²) = 150.6 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/150.6 = 0.1593 A

答案

I = 0.1593 A
9.直流电机

答案: η = 83.89 %

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。

各功率

Pin = 24·15 = 360 W
Pdev = 21·15 = 315 W
Pout = 315 − 13 = 302 W

效率

η = 302/360·100 = 83.89 %

答案

η = 83.89 %
10.直流电机

答案: n2 = 1033 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 = 240 − 40·0.25 = 230 V
E2 = 240 − 10·0.25 = 237.5 V

新的转速

n2 = 1000·237.5/230 = 1033 rpm

答案

n2 = 1033 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems