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 VIL​ = 20 Acos φ = 0.85滞后

一个对称三相负载从线电压为 400 V 的电源取用 20 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 = 400 VIL = 20 Acos φ = 0.85
P = kW
2.三相电困难
P = 60 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 60 kW,功率因数为 0.72(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(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 = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
RL​ = 4 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 V 电压。二次绕组两端接一个 4 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 4 Ω
I1 = A
4.变压器困难
25 kVA

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 200 W,额定负载下铜损为 500 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 25 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 500 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
240 V15 kW, 0.85214 kW, 1I

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 5 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载,以及一台 14 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 240 VP1 = 5 kW, pf1 = 0.85 滞后P2 = 14 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求所需电容 C。

P = 35 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
120 V200 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
I = A
8.交流阻抗和相量困难
24 V50 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 100 ΩC = 22 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR1 = 40 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)9.6 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1.2 V·s/rad,Ra = 1 Ω)由 220 V 供电。满载时电流为 8 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 = 220 Vk = 1.2 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 8 A
SR = %
10.直流电机困难
+−240 VRs​ = ?Ra​ = 1.2 ΩM+−En = 750 rpmT = 30 N·m

某直流电机(k = 1.5 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω)接在固定的 240 V 电源上,带动 30 N·m 的负载。求把转速降到 750 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 30 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 11.78 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 = √3·400·20 = 13.86 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 13.86·0.85 = 11.78 kW

答案

P = 11.78 kW
2.三相电

答案: QC = 32.27 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 = 60·tan(acos 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 32.27 kvar

答案

QC = 32.27 kvar
3.变压器

答案: I1 = 1.5 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。

二次电压和电流

V2 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 1.5 A

答案

I1 = 1.5 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 1600 Ω,2400/1600 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 15.81 kVA

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。

铜损等于铁损

x²·500 = 200 → x = √(200/500) = 0.6325

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.6325·25 = 15.81 kVA

答案

Sη,max = 15.81 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.987

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 = 5·tan(arccos 0.85) = 3.099 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 5 + 14 = 19 kW
Q = 3.099 + 0 = 3.099 kvar
S = √(19² + 3.099²) = 19.25 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 19/19.25 = 0.987 滞后

答案

cos φ = 0.987
6.交流功率和功率因数

答案: C = 863.7 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 = 35·tan(45.57°) = 35.71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25.84°) = 16.95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18.76 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 18756/(2π·60·240²) = 863.7 µF

答案

C = 863.7 µF
7.交流阻抗和相量

答案: I = 1.439 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.2 = 251.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (82.01)²) = 83.37 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/83.37 = 1.439 A

答案

I = 1.439 A
8.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 117.4 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·50·22·10⁻⁶) = 144.7 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 = 67.67 − j46.77 Ω

总阻抗

Z = 40 + 67.67 − j46.77 = 107.7 − j46.77 Ω
|Z| = √(107.7² + 46.77²) = 117.4 Ω

答案

|Z| = 117.4 Ω
9.直流电机

答案: SR = 3.774 %

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 = 60·220/(2π·1.2) = 1751 rpm
nFL = 60·(220 − 8·1)/(2π·1.2) = 1687 rpm

转速调整率

SR = (1751 − 1687)/1687·100 = 3.774 %

答案

SR = 3.774 %
10.直流电机

答案: Rs = 4.91 Ω

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。

电流与反电动势

Ia = 30/1.5 = 20 A
E = 1.5·78.54 = 117.8 V

串联电阻

Ra + Rs = (240 − 117.8)/20 = 6.11 Ω
Rs = 4.91 Ω

答案

Rs = 4.91 Ω

该电阻消耗 1964 W;斩波器调速的损耗要小得多。

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