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 VNZ = 8 + j6 Ω每相

一个每相阻抗为 8 + j6 Ω 的对称 Y 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 = 8 + j6 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 60 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 60 kW,功率因数为 0.75(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。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
8 ΩN1​N2​128 Ω

一台输出电阻为 128 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 8 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 128 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 128 ΩRL = 8 Ω
a =
4.变压器困难
50 kVA

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 400 W,额定负载下铜损为 1600 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 50 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1600 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 2588 W12.5 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 12.5 A 和 2588 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 12.5 AP = 2588 W
X = Ω
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 230 V、60 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.6(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 = 35 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
10 V200 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 47 µF

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
10 Vf0​R = 20 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路由 10 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 = 10 V (rms)R = 20 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF
VL = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)4.8 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.4 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)由 110 V 供电。满载时电流为 12 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 = 110 Vk = 0.4 V·s/radRa = 0.8 ΩIFL = 12 A
SR = %
10.直流电机困难
+−48 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 20 → 8 AM+−En = ?T

某他励直流电机由 48 V 供电(Ra = 0.25 Ω),在 1200 rpm 下运转,电枢电流为 20 A。负载变化后电流变为 8 A,励磁不变。求新的转速 n2。

V = 48 VRa = 0.25 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 20 AIa2 = 8 A
n2 = rpm

3溶液

1.三相电

答案: P = 3.461 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 = 208/√3 = 120.1 V

相电流

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 120.1/10 = 12.01 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 = 3·12.01²·8 = 3.461 kW

答案

P = 3.461 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

2.三相电

答案: Cph = 140.4 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 = 60·tan(acos 0.75) = 60·0.8819 = 52.92 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 = 27.36 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9118/(377·415²) = 140.4 µF

答案

Cph = 140.4 µF
3.变压器

答案: a = 4

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

a²·8 = 128
a = √(128/8) = √16 = 4

答案

a = 4
4.变压器

答案: Sη,max = 25 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

x²·1600 = 400 → x = √(400/1600) = 0.5

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5·50 = 25 kVA

答案

Sη,max = 25 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: X = 8.014 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 2588/12.5² = 16.56 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/12.5 = 18.4 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(18.4² − 16.56²) = 8.014 Ω

答案

X = 8.014 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 29.72 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 = 35·tan(53.13°) = 46.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25.84°) = 16.95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29.72 kvar

答案

QC = 29.72 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 84.75 °

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 = 1257·0.1 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (108.7)²) = 109.2 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(108.7/10) = 84.75°

答案

φ = 84.75°
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 75.38 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/√(0.005·0.22·10⁻⁶) = 30151 rad/s
I = V/R = 10/20 = 0.5 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 30151·0.005 = 150.8 Ω
VL = I·XL = 0.5·150.8 = 75.38 V

答案

VL = 75.38 V

这是电源电压的 Q = 7.538 倍。

9.直流电机

答案: SR = 9.562 %

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 = 60·110/(2π·0.4) = 2626 rpm
nFL = 60·(110 − 12·0.8)/(2π·0.4) = 2397 rpm

转速调整率

SR = (2626 − 2397)/2397·100 = 9.562 %

答案

SR = 9.562 %
10.直流电机

答案: n2 = 1284 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 − 20·0.25 = 43 V
E2 = 48 − 8·0.25 = 46 V

新的转速

n2 = 1200·46/43 = 1284 rpm

答案

n2 = 1284 rpm

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