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 VIL​ = 60 Acos φ = 0.75滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 60 A 的线电流,功率因数为 0.75(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 60 Acos φ = 0.75
P = kW
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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 0.95(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 = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 10 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 V 电压。二次绕组两端接一个 10 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 10 Ω
I1 = A
4.变压器困难
pf 0.9500 kVA, η = 99%

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 2500 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 99%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 500 kVAPcore = 2500 Wpf = 0.9η = 99%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 34 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 34 kW,功率因数为 0.6(滞后)。 求线路电流 I。

P = 34 kWpf = 0.6V = 240 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
230 V50 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

一个 230 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 4 + j15 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 获得最大功率的负载由一个电阻与一个电容串联构成。求电容 C。

Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j15 Ω
C = µF
7.交流阻抗和相量中等
24 V50 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求从电源吸取的有功功率 P。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µF
P = W
8.交流阻抗和相量困难
24 V100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 1 N·m/A,Ra = 0.2 Ω,接到 220 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 220 Vk = 1 N·m/ARa = 0.2 Ω
Tstall = N·m
10.直流电机困难
+−240 VRa​ = 1.5 ΩIa​: 20 → 5 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 240 V 供电(Ra = 1.5 Ω),在 1200 rpm 下运转,电枢电流为 20 A。负载变化后电流变为 5 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 240 VRa = 1.5 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 20 AIa2 = 5 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 16.21 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 = √3·208·60 = 21.62 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 21.62·0.75 = 16.21 kW

答案

P = 16.21 kW
2.三相电

答案: Cph = 291 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 = 50·tan(acos 0.8) = 50·0.75 = 37.5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.95) = 50·0.3287 = 16.43 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 21.07 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7022/(314.2·277.1²) = 291 µF

答案

Cph = 291 µF
3.变压器

答案: I1 = 2.4 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 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/10 = 2.4 A

答案

I1 = 2.4 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 1000 Ω,2400/1000 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Pcu,fl = 2045 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 = 500·0.9 = 450 kW
Pin = 450000/0.99 = 454545 W

总损耗和铜损

Ploss = 454545 − 450000 = 4545 W
Pcu,fl = 4545 − 2500 = 2045 W

答案

Pcu,fl = 2045 W
5.交流功率和功率因数

答案: I = 236.1 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。

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) = 34000/(240·0.6) = 236.1 A

答案

I = 236.1 A
6.交流功率和功率因数

答案: C = 212.2 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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 4 − j15 Ω

电容

XC = 15 Ω → C = 1/(2π·50·15) = 212.2 µF

答案

C = 212.2 µF
7.交流阻抗和相量

答案: P = 11.13 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 = 6.283 Ω, XC = 31.83 Ω

阻抗

|Z| = √(30² + (−25.55)²) = 39.4 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 = 24/39.4 = 0.6091 A
P = I²·R = 0.6091²·30 = 11.13 W

答案

P = 11.13 W
8.交流阻抗和相量

答案: I = 0.3534 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/(628.3·10·10⁻⁶) = 159.2 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−64.91)²) = 67.92 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/67.92 = 0.3534 A

答案

I = 0.3534 A
9.直流电机

答案: Tstall = 1100 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。

堵转电流

Ia = V/Ra = 220/0.2 = 1100 A

堵转转矩

Tstall = 1·1100 = 1100 N·m

答案

Tstall = 1100 N·m
10.直流电机

答案: n2 = 1329 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 − 20·1.5 = 210 V
E2 = 240 − 5·1.5 = 232.5 V

新的转速

n2 = 1200·232.5/210 = 1329 rpm

答案

n2 = 1329 rpm

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