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 VZ = 7 + j24 Ω每相

一个每相阻抗为 7 + j24 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 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 = 208 VZ = 7 + j24 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 120 kW,功率因数为 0.65(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 = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

一台单相 15 kVA、4800/240 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 ILV。

S = 15 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
4.变压器困难
pf 0.85100 kVA, 75% 负载

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 600 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 75%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 600 Wx = 0.75pf = 0.85
Ploss = W
5.交流功率和功率因数中等
240 V114 kW, 0.627 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 14 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一台 7 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 240 VP1 = 14 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 7 kW, pf2 = 1
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
230 V500 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
VfR = 15 ΩL = 10 mHC = 0.01 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 15 Ω,L = 10 mH,C = 0.01 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 15 ΩL = 10 mHC = 0.01 µF
Q =
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

某直流电机在 1200 rpm 下输出 4 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 4 kWn = 1200 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)4.5 N·m500 rpm

某直流电机的 k = 0.75 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω,要以 500 rpm 带动 4.5 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.75 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 4.5 N·mn = 500 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: P = 1.454 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 = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8.32 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 = 3·8.32²·7 = 1.454 kW

答案

P = 1.454 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.28,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 1266 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 = 120·tan(acos 0.65) = 120·1.169 = 140.3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.9) = 120·0.4843 = 58.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 82.18 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27392/(377·239.6²) = 1266 µF

答案

Cph = 1266 µF
3.变压器

答案: ILV = 62.5 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 = 15000/240 = 62.5 A

答案

ILV = 62.5 A
4.变压器

答案: Ploss = 637.5 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。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.5625·600 = 337.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 300 + 337.5 = 637.5 W

答案

Ploss = 637.5 W

此负载下的效率为 η = 99.01%。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 117.1 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 = 14·tan(arccos 0.6) = 18.67 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 14 + 7 = 21 kW
Q = 18.67 + 0 = 18.67 kvar
S = √(21² + 18.67²) = 28.1 kVA

总电流

I = S/V = 28097/240 = 117.1 A

答案

I = 117.1 A
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 7.952 kvar

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 = 20·tan(41.41°) = 17.64 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25.84°) = 9.686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 7.952 kvar

答案

QC = 7.952 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: I = 0.728 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 = 3142·0.1 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (299.7)²) = 315.9 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/315.9 = 0.728 A

答案

I = 0.728 A
8.交流阻抗和相量

答案: Q = 66.67

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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.01·0.01·10⁻⁶)) = 15915 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0.01/(0.01·10⁻⁶)) = 66.67

答案

Q = 66.67
9.直流电机

答案: T = 31.83 N·m

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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1200/60 = 125.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 4000/125.7 = 31.83 N·m

答案

T = 31.83 N·m
10.直流电机

答案: V = 46.47 V

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。

反电动势

E = 0.75·52.36 = 39.27 V

电枢电流

Ia = 4.5/0.75 = 6 A

电枢电压

V = 39.27 + 6·1.2 = 46.47 V

答案

V = 46.47 V

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