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​ = 208 VIL​ = 30 Acos φ = 0.85滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 30 A 的线电流,功率因数为 0.85(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 30 Acos φ = 0.85
P = kW
2.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 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 0.95(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 = 300 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
4160 V480 VIHV​ILV​ = ?150 kVA

一台单相 150 kVA、4160/480 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 ILV。

S = 150 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
4.变压器困难
pf 0.8200 kVA, η = 96%

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 600 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 96%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 200 kVAPcore = 600 Wpf = 0.8η = 96%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
240 VZ9 + j12 ΩI

一个阻抗为 Z = 9 + j12 Ω 的负载接在 240 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 240 VZ = 9 + j12 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 60 kWQ1​S1​φ

一台 150 kVA 的单相变压器为一个 60 kW、功率因数为 0.7(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 = 150 kVAP1 = 60 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
24 V1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、1000 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 = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
50 V200 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 50 ΩC = 22 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 50 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 50 V (rms)f = 200 HzR1 = 50 ΩR2 = 50 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)16 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.8 N·m/A,Ra = 0.25 Ω)由 120 V 供电,带动 16 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 120 Vk = 0.8 N·m/ARa = 0.25 ΩT = 16 N·m
n = rpm
10.直流电机困难
+−120 VRa​ = 2 ΩM+−En = ?T = 2.4 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 1.2 V·s/rad,Ra = 2 Ω,V = 120 V)带动 2.4 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 = 120 Vk = 1.2 V·s/radRa = 2 ΩT = 2.4 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 9.187 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 = √3·208·30 = 10.81 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 10.81·0.85 = 9.187 kW

答案

P = 9.187 kW
2.三相电

答案: Cph = 949.9 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 = 300·tan(acos 0.78) = 300·0.8023 = 240.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 142.1 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 47360/(314.2·398.4²) = 949.9 µF

答案

Cph = 949.9 µF
3.变压器

答案: ILV = 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。

ILV = S/V = 150000/480 = 312.5 A

答案

ILV = 312.5 A
4.变压器

答案: Pcu,fl = 6067 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 = 200·0.8 = 160 kW
Pin = 160000/0.96 = 166667 W

总损耗和铜损

Ploss = 166667 − 160000 = 6667 W
Pcu,fl = 6667 − 600 = 6067 W

答案

Pcu,fl = 6067 W
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 3072 var

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| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

无功功率

Q = I²·X = 16²·12 = 3072 var

答案

Q = 3072 var
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 76.94 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 = 60·tan(arccos 0.7) = 61.21 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) = √(150² − 61.21²) = 136.9 kW

增加的有功功率

ΔP = 136.9 − 60 = 76.94 kW

答案

ΔP = 76.94 kW
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 84.1 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.05 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2.2·10⁻⁶) = 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) = √(25² + (241.8)²) = 243.1 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(241.8/25) = 84.1°

答案

φ = 84.1°
8.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 71.25 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·200·22·10⁻⁶) = 36.17 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 = 17.18 − j23.74 Ω

总阻抗

Z = 50 + 17.18 − j23.74 = 67.18 − j23.74 Ω
|Z| = √(67.18² + 23.74²) = 71.25 Ω

答案

|Z| = 71.25 Ω
9.直流电机

答案: n = 1373 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。

电枢电流

Ia = T/k = 16/0.8 = 20 A

反电动势与转速

E = 120 − 20·0.25 = 115 V
ω = E/k = 143.8 rad/s → n = 1373 rpm

答案

n = 1373 rpm
10.直流电机

答案: n = 1299 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。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.7·1.2 = 0.84 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 2.4/0.84 = 2.857 A

新的转速

ω = (120 − 2.857·2)/0.84 = 136.1 rad/s → n = 1299 rpm

答案

n = 1299 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

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