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 = 15 + j20 Ω每相

一个每相阻抗为 15 + j20 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 = 15 + j20 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 0.95(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 = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
4 ΩN1​N2​144 Ω

一台输出电阻为 144 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 4 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 144 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 144 ΩRL = 4 Ω
a =
4.变压器困难
pf 0.95250 kVA, η = 97%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W。 在额定负载、功率因数为 0.95(滞后)时,其效率为 97%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.95η = 97%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
240 V14 kW, 0.6230 kW, 0.85I

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 4 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 30 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 240 VP1 = 4 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 30 kW, pf2 = 0.85 滞后
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
400 V60 Hz负载8 kW, 0.8C47 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、60 Hz 的电源吸取 8 kW,功率因数为 0.8(滞后)。一个 47 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 8 kWpf1 = 0.8V = 400 Vf = 60 HzC = 47 µF
I = A
7.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 2.2 µF

一个 C = 2.2 µF 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电感 L。

f0 = 100 HzC = 2.2 µF
L = mH
8.交流阻抗和相量困难
50 V50 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
VC = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

某直流电机的 k = 1.2 V·s/rad,由 120 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 120 Vk = 1.2 V·s/rad
n0 = rpm
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 0.5 ΩIa​: 20 → 40 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 240 V 供电(Ra = 0.5 Ω),在 1200 rpm 下运转,电枢电流为 20 A。负载变化后电流变为 40 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 240 VRa = 0.5 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 20 AIa2 = 40 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 3.115 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| = √(15² + 20²) = 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 = 3·8.32²·15 = 3.115 kW

答案

P = 3.115 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 1553 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 0.95) = 120·0.3287 = 39.44 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 100.9 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) = 33618/(377·239.6²) = 1553 µF

答案

Cph = 1553 µF
3.变压器

答案: a = 6

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。

匹配折算负载

a²·4 = 144
a = √(144/4) = √36 = 6

答案

a = 6
4.变压器

答案: Pcu,fl = 5345 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 = 250·0.95 = 237.5 kW
Pin = 237500/0.97 = 244845 W

总损耗和铜损

Ploss = 244845 − 237500 = 7345 W
Pcu,fl = 7345 − 2000 = 5345 W

答案

Pcu,fl = 5345 W
5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8178

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 = 4·tan(arccos 0.6) = 5.333 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0.85) = 18.59 kvar

总计

P = 4 + 30 = 34 kW
Q = 5.333 + 18.59 = 23.93 kvar
S = √(34² + 23.93²) = 41.57 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 34/41.57 = 0.8178 滞后

答案

cos φ = 0.8178
6.交流功率和功率因数

答案: I = 21.51 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 = 8·tan(arccos 0.8) = 6 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·47·10⁻⁶ = 2835 var = 2.835 kvar
Q2 = 6 − 2.835 = 3.165 kvar

新的视在功率

S2 = √(8² + 3.165²) = 8.603 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 8603/400 = 21.51 A

答案

I = 21.51 A
7.交流阻抗和相量

答案: L = 1151 mH

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628.3²·2.2·10⁻⁶) = 1151 mH

答案

L = 1151 mH
8.交流阻抗和相量

答案: VC = 50.61 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。

电抗

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.05 = 15.71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·4.7·10⁻⁶) = 677.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−661.5)²) = 669.1 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/669.1 = 0.07473 A

电容电压

VC = I·XC = 0.07473·677.3 = 50.61 V

答案

VC = 50.61 V
9.直流电机

答案: n0 = 954.9 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。

空载转速

ω₀ = V/k = 120/1.2 = 100 rad/s
n0 = 60·100/(2π) = 954.9 rpm

答案

n0 = 954.9 rpm
10.直流电机

答案: n2 = 1148 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 − 20·0.5 = 230 V
E2 = 240 − 40·0.5 = 220 V

新的转速

n2 = 1200·220/230 = 1148 rpm

答案

n2 = 1148 rpm

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