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 VNZ = 20 + j15 Ω每相

一个每相阻抗为 20 + j15 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 400 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 = 400 VZ = 20 + j15 Ω 每相
P = kW
2.三相电困难
P = 250 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 250 kW,功率因数为 0.78(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 = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.变压器中等
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​10 kVA

一台单相 10 kVA、11000/400 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 10 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
4.变压器困难
pf 0.8525 kVA, η = 98%

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 100 W。 在额定负载、功率因数为 0.85(滞后)时,其效率为 98%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0.85η = 98%
Pcu,fl = W
5.交流功率和功率因数中等
120 VZ12 + j5 ΩI

一个阻抗为 Z = 12 + j5 Ω 的负载接在 120 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的有功功率 P。

V = 120 VZ = 12 + j5 Ω
P = W
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 39 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 39 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 200 kVAP1 = 39 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.交流阻抗和相量中等
120 V200 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 100 µF
cos φ =
8.交流阻抗和相量困难
10 V100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

某直流电机在 1200 rpm 下输出 1.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1.5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
10.直流电机困难
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0.25 ΩM+−En = 400 rpmT = 32 N·m

某直流电机(k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω)接在固定的 220 V 电源上,带动 32 N·m 的负载。求把转速降到 400 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 220 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 32 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω

3溶液

1.三相电

答案: P = 5.12 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 = 400/√3 = 230.9 V

相电流

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 230.9/25 = 9.238 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 = 3·9.238²·20 = 5.12 kW

答案

P = 5.12 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: QC = 94.07 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 = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.92) = 250·0.426 = 106.5 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 94.07 kvar

答案

QC = 94.07 kvar
3.变压器

答案: IHV = 0.9091 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。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

IHV = S/V = 10000/11000 = 0.9091 A

答案

IHV = 0.9091 A
4.变压器

答案: Pcu,fl = 333.7 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 = 25·0.85 = 21.25 kW
Pin = 21250/0.98 = 21684 W

总损耗和铜损

Ploss = 21684 − 21250 = 433.7 W
Pcu,fl = 433.7 − 100 = 333.7 W

答案

Pcu,fl = 333.7 W
5.交流功率和功率因数

答案: P = 1022 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。

电流

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9.231 A

有功功率

P = I²·R = 9.231²·12 = 1022 W

答案

P = 1022 W
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 155.7 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 39·tan(arccos 0.65) = 45.6 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 45.6²) = 194.7 kW

增加的有功功率

ΔP = 194.7 − 39 = 155.7 kW

答案

ΔP = 155.7 kW
7.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.247

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 = 125.7 Ω, XC = 7.958 Ω

阻抗

|Z| = √(30² + (117.7)²) = 121.5 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 30/121.5 = 0.247
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.247
8.交流阻抗和相量

答案: f0 = 31.83 Hz

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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.25·100·10⁻⁶)) = 31.83 Hz

答案

f0 = 31.83 Hz
9.直流电机

答案: T = 11.94 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·1200/60 = 125.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1500/125.7 = 11.94 N·m

答案

T = 11.94 N·m
10.直流电机

答案: Rs = 4.412 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 = 32/0.8 = 40 A
E = 0.8·41.89 = 33.51 V

串联电阻

Ra + Rs = (220 − 33.51)/40 = 4.662 Ω
Rs = 4.412 Ω

答案

Rs = 4.412 Ω

该电阻消耗 7060 W;斩波器调速的损耗要小得多。

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