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​ = ?M30 kW, η = 93%cos φ = 0.9

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 400 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0.9VL = 400 V
IL = A
2.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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 0.98(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 = 50 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.变压器中等
RL​ = 5 Ω21460 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 460 V 电压。二次绕组两端接一个 5 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 5 Ω
I1 = A
4.变压器困难
50 kVA

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 1200 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 50 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
5.交流功率和功率因数中等
400 V127 kW, 0.75221 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 27 kW、功率因数为 0.75(滞后)的负载,以及一台 21 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 400 VP1 = 27 kW, pf1 = 0.75 滞后P2 = 21 kW, pf2 = 1
I = A
6.交流功率和功率因数困难
10 V1000 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

一个 10 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 8 + j30 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j30 Ω
Pmax = W
7.交流阻抗和相量中等
24 V500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、500 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 = 24 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
8.交流阻抗和相量困难
2 Vf0​R = 20 ΩL = 50 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路由 2 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 = 2 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 0.1 µF
VL = V
9.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)1.5 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.25 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω)由 24 V 供电。满载时电流为 6 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 = 24 Vk = 0.25 V·s/radRa = 0.25 ΩIFL = 6 A
SR = %
10.直流电机困难
+−110 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 4 Ω,由 110 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 110 VRa = 4 Ω
Pmax = W

3溶液

1.三相电

答案: IL = 51.73 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 30/0.93 = 32.26 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·400·0.9) = 51.73 A

答案

IL = 51.73 A
2.三相电

答案: Cph = 84.78 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 0.72) = 50·0.9639 = 48.19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 38.04 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 = 690 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12680/(314.2·690²) = 84.78 µF

答案

Cph = 84.78 µF
3.变压器

答案: I1 = 23 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 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/5 = 46 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 23 A

答案

I1 = 23 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 20 Ω,460/20 得到相同的电流。

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

x²·1200 = 300 → x = √(300/1200) = 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: I = 134 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。

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 = 27·tan(arccos 0.75) = 23.81 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 27 + 21 = 48 kW
Q = 23.81 + 0 = 23.81 kvar
S = √(48² + 23.81²) = 53.58 kVA

总电流

I = S/V = 53582/400 = 134 A

答案

I = 134 A
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 3.125 W

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* = 8 − j30 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 10/16 = 0.625 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·8) = 3.125 W

答案

Pmax = 3.125 W
7.交流阻抗和相量

答案: φ = 80.77 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3.183 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (153.9)²) = 155.9 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(153.9/25) = 80.77°

答案

φ = 80.77°
8.交流阻抗和相量

答案: VL = 70.71 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/√(0.05·0.1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 2/20 = 0.1 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 14142·0.05 = 707.1 Ω
VL = I·XL = 0.1·707.1 = 70.71 V

答案

VL = 70.71 V

这是电源电压的 Q = 35.36 倍。

9.直流电机

答案: SR = 6.667 %

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 = 60·24/(2π·0.25) = 916.7 rpm
nFL = 60·(24 − 6·0.25)/(2π·0.25) = 859.4 rpm

转速调整率

SR = (916.7 − 859.4)/859.4·100 = 6.667 %

答案

SR = 6.667 %
10.直流电机

答案: Pmax = 756.3 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·4) = 756.3 W

答案

Pmax = 756.3 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

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