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​ = 480 VIL​ = 10 Acos φ = 0.92滞后

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 10 A 的线电流,功率因数为 0.92(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 10 Acos φ = 0.92
P = kW
2.三相电困难
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 250 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 250 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
RL​ = 6 Ω1012300 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 2300 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 = 10:1V1 = 2300 VRL = 6 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.8200 kVA, η = 99%

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 99%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 200 kVAPcore = 600 Wpf = 0.8η = 99%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 7 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 7 kW,功率因数为 0.65(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 7 kWpf = 0.65V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 15 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。 求新的线路电流 Inew。

P = 15 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.交流阻抗和相量中等
12 V50 HzR = 20 ΩL = 100 mHI

一个电阻和一个电感并联接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 100 mH
|Z| = Ω
8.交流阻抗和相量困难
24 Vf0​R = 50 ΩL = 10 mHC = 1 µF

一个 RLC 串联电路由 24 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 24 V (rms)R = 50 ΩL = 10 mHC = 1 µF
VL = V
9.直流电机中等
+−120 VRa​ = 1.2 ΩIa​ = 4 AM+−EωT

某直流电机从 120 V 电源吸取 4 A 电流。其电枢电阻为 1.2 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 37 W。求它的效率 η。

V = 120 VIa = 4 ARa = 1.2 ΩProt = 37 W
η = %
10.直流电机困难
+−48 VRa​ = 1.5 ΩIa​: 2 → 3 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 48 V 供电(Ra = 1.5 Ω),在 900 rpm 下运转,电枢电流为 2 A。负载变化后电流变为 3 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 48 VRa = 1.5 Ωn1 = 900 rpmIa1 = 2 AIa2 = 3 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 7.649 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 = √3·480·10 = 8.314 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 8.314·0.92 = 7.649 kW

答案

P = 7.649 kW
2.三相电

答案: QC = 136.7 kvar

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 = 250·tan(acos 0.8) = 250·0.75 = 187.5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.98) = 250·0.2031 = 50.76 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 136.7 kvar

答案

QC = 136.7 kvar
3.变压器

答案: I1 = 3.833 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 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/6 = 38.33 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 3.833 A

答案

I1 = 3.833 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 600 Ω,2300/600 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Pcu,fl = 1016 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 = 160000/0.99 = 161616 W

总损耗和铜损

Ploss = 161616 − 160000 = 1616 W
Pcu,fl = 1616 − 600 = 1016 W

答案

Pcu,fl = 1016 W
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 8.184 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。

相角

φ = arccos(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169

无功功率

Q = P·tan φ = 7·1.169 = 8.184 kvar

答案

Q = 8.184 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 65.79 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。

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 = 15·tan(41.41°) = 13.23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18.19°) = 4.93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.298 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(240·0.95) = 65.79 A

答案

Inew = 65.79 A
7.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 16.87 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

XL = ωL = 2π·50·0.1 = 31.42 Ω

支路电流

两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。

IR = V/R = 12/20 = 0.6 A
IX = V/XL = 12/31.42 = 0.382 A

总电流

电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。

I = √(IR² + IX²) = √(0.6² + 0.382²) = 0.7113 A

阻抗

|Z| = V/I = 12/0.7113 = 16.87 Ω

答案

|Z| = 16.87 Ω
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 48 V

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

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·1·10⁻⁶) = 10000 rad/s
I = V/R = 24/50 = 0.48 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 10000·0.01 = 100 Ω
VL = I·XL = 0.48·100 = 48 V

答案

VL = 48 V

这是电源电压的 Q = 2 倍。

9.直流电机

答案: η = 88.29 %

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 = 120·4 = 480 W
Pdev = 115.2·4 = 460.8 W
Pout = 460.8 − 37 = 423.8 W

效率

η = 423.8/480·100 = 88.29 %

答案

η = 88.29 %
10.直流电机

答案: n2 = 870 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 = 48 − 2·1.5 = 45 V
E2 = 48 − 3·1.5 = 43.5 V

新的转速

n2 = 900·43.5/45 = 870 rpm

答案

n2 = 870 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems