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​ = 400 VNZ = 5 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 5 + j12 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 = 5 + j12 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 400 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 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 6 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4800 V 电压。二次绕组两端接一个 6 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 6 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.85100 kVA, η = 97.5%

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 500 W。 在额定负载、功率因数为 0.85(滞后)时,其效率为 97.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 500 Wpf = 0.85η = 97.5%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 5 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.6(滞后)。 求线路电流 I。

P = 5 kWpf = 0.6V = 230 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.98。 求所需电容 C。

P = 10 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
120 V60 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求从电源吸取的有功功率 P。

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 100 µF
P = W
8.交流阻抗和相量困难
12 V100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)1.2 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.3 V·s/rad,Ra = 2 Ω)由 120 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 = 120 Vk = 0.3 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 4 A
SR = %
10.直流电机困难
+−110 VRa​ = 1.2 ΩIa​: 5 → 10 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 110 V 供电(Ra = 1.2 Ω),在 1800 rpm 下运转,电枢电流为 5 A。负载变化后电流变为 10 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 110 VRa = 1.2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 5 AIa2 = 10 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 4.734 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 230.9/13 = 17.76 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 = 3·17.76²·5 = 4.734 kW

答案

P = 4.734 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.3846,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 659.2 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,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 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39759/(377·400²) = 659.2 µF

答案

Cph = 659.2 µF
3.变压器

答案: I1 = 2 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。

二次电压和电流

V2 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/6 = 40 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 2 A

答案

I1 = 2 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 2400 Ω,4800/2400 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Pcu,fl = 1679 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 = 100·0.85 = 85 kW
Pin = 85000/0.975 = 87179 W

总损耗和铜损

Ploss = 87179 − 85000 = 2179 W
Pcu,fl = 2179 − 500 = 1679 W

答案

Pcu,fl = 1679 W
5.交流功率和功率因数

答案: I = 36.23 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 5000/(230·0.6) = 36.23 A

答案

I = 36.23 A
6.交流功率和功率因数

答案: C = 90.68 µF

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 = P·tan φ1 = 10·tan(36.87°) = 7.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(11.48°) = 2.031 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5.469 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 5469/(2π·60·400²) = 90.68 µF

答案

C = 90.68 µF
7.交流阻抗和相量

答案: P = 44.89 W

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

XL = 94.25 Ω, XC = 26.53 Ω

阻抗

|Z| = √(15² + (67.72)²) = 69.36 Ω

有功功率

电感和电容只储存和释放能量;全部有功功率都由电阻吸收。

I = 120/69.36 = 1.73 A
P = I²·R = 1.73²·15 = 44.89 W

答案

P = 44.89 W
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1886 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 = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (60.39)²) = 63.61 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/63.61 = 0.1886 A

答案

I = 0.1886 A
9.直流电机

答案: SR = 7.143 %

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 = 60·120/(2π·0.3) = 3820 rpm
nFL = 60·(120 − 4·2)/(2π·0.3) = 3565 rpm

转速调整率

SR = (3820 − 3565)/3565·100 = 7.143 %

答案

SR = 7.143 %
10.直流电机

答案: n2 = 1696 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 − 10·1.2 = 98 V

新的转速

n2 = 1800·98/104 = 1696 rpm

答案

n2 = 1696 rpm

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