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​ = 415 VIL​ = 80 Acos φ = 0.9滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 80 A 的线电流,功率因数为 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 80 Acos φ = 0.9
P = kW
2.三相电困难
P = 300 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 300 kW,功率因数为 0.7(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 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 300 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 24 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 20:1 的理想变压器,一次绕组加 4800 V 电压。二次绕组两端接一个 24 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.变压器困难
200 kVA

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1200 W,额定负载下铜损为 3000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 200 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
P = 2 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 2 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 2 kWpf = 0.9V = 400 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、50 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.95V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.交流阻抗和相量中等
100 V200 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 22 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 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 = 100 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
5 Vf0​R = 10 ΩL = 100 mHC = 1 µF

一个 RLC 串联电路由 5 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 = 5 V (rms)R = 10 ΩL = 100 mHC = 1 µF
VL = V
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

某直流电机在 1450 rpm 下输出 3 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 3 kWn = 1450 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)0.24 N·m800 rpm

某直流电机的 k = 0.12 V·s/rad,Ra = 1 Ω,要以 800 rpm 带动 0.24 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.12 V·s/radRa = 1 ΩT = 0.24 N·mn = 800 rpm
V = V

3溶液

1.三相电

答案: P = 51.75 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 = √3·415·80 = 57.5 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 57.5·0.9 = 51.75 kW

答案

P = 51.75 kW
2.三相电

答案: Cph = 2746 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 = 300·tan(acos 0.7) = 300·1.02 = 306.1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 178.3 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) = 59421/(377·239.6²) = 2746 µF

答案

Cph = 2746 µF
3.变压器

答案: I1 = 0.5 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 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/24 = 10 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 0.5 A

答案

I1 = 0.5 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 9600 Ω,4800/9600 得到相同的电流。

4.变压器

答案: Sη,max = 126.5 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

x²·3000 = 1200 → x = √(1200/3000) = 0.6325

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.6325·200 = 126.5 kVA

答案

Sη,max = 126.5 kVA
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 0.9686 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(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 2·0.4843 = 0.9686 kvar

答案

Q = 0.9686 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 20.09 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 = 20·tan(53.13°) = 26.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18.19°) = 6.574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20.09 kvar

答案

QC = 20.09 kvar
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 75.29 °

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 = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36.17 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (152.3)²) = 157.5 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(152.3/40) = 75.29°

答案

φ = 75.29°
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 158.1 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/√(0.1·1·10⁻⁶) = 3162 rad/s
I = V/R = 5/10 = 0.5 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 3162·0.1 = 316.2 Ω
VL = I·XL = 0.5·316.2 = 158.1 V

答案

VL = 158.1 V

这是电源电压的 Q = 31.62 倍。

9.直流电机

答案: T = 19.76 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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s

扭矩

T = P/ω = 3000/151.8 = 19.76 N·m

答案

T = 19.76 N·m
10.直流电机

答案: V = 12.05 V

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。

反电动势

E = 0.12·83.78 = 10.05 V

电枢电流

Ia = 0.24/0.12 = 2 A

电枢电压

V = 10.05 + 2·1 = 12.05 V

答案

V = 12.05 V

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