Galios elektronika ir pavaros: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniai Atgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

DC-DC keitikliai

Žeminantysis: V_o = D·V_in
Aukštinantysis: V_o = V_in/(1 − D)
Invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Idealus galios balansas: V_inI_in = V_oI_o
Induktyvumo pulsacija: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Vidutinė induktyvumo srovė: žeminantysis I_o; aukštinantysis ir žeminantysis-aukštinantysis I_o/(1 − D)
Išėjimo pulsacija: žeminantysis ΔI_L/(8fC); aukštinantysis ir žeminantysis-aukštinantysis I_o·D/(fC)
CCM riba: žeminantysis (1 − D)R/(2f); aukštinantysis D(1 − D)²R/(2f); žeminantysis-aukštinantysis (1 − D)²R/(2f)

Metodas

Nustatykite keitiklį (žeminantysis, aukštinantysis ar žeminantysis-aukštinantysis) ir pildymo koeficientą D pagal įtampų santykį.
Naudokite induktyvumo voltsekundžių pusiausvyrą: vidutinė induktyvumo įtampa per periodą lygi nuliui.
Raskite induktyvumo įtampą, kol jungiklis įjungtas, tada ΔI_L = V_L·D/(L·f).
Išėjimo pulsacijai raskite krūvį, tekantį į kondensatorių ir iš jo; CCM ribai vidutinę induktyvumo srovę prilyginkite ΔI_L/2.

Nuolatinės srovės varikliai

Inkaro grandinė: V = E + I_aR_a
Priešelektrovara ir momentas: E = k·ω, T = k·I_a
Greitis: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Tuščiosios eigos greitis ir stabdymo momentas: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Galios: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Paleidimas: I_start = V/(R_a + R_st)
Greičio reguliavimas: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Didžiausia išvystoma galia: P_max = V²/(4R_a)
Pertraukiklio pavara: V_a = D·V_dc

Metodas

Nubraižykite inkaro grandinę: maitinimas V, varža R_a ir priešelektrovara E nuosekliai.
Įtampai, srovei ir priešelektrovarai susieti naudokite V = E + I_a·R_a.
Greičiui naudokite E = k·ω, o momentui T = k·I_a, kai ω = 2π·n/60.
Galiai ir naudingumui pradėkite nuo V·I_a, atimkite vario nuostolius I_a²·R_a, o tada sukimosi nuostolius.

Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Aktyvioji galia: P = V·I·cos φ
Reaktyvioji galia: Q = V·I·sin φ
Pilnutinė galia: S = V·I = √(P² + Q²)
Galios koeficientas: pf = cos φ = P/S
Kompensacinis kondensatorius: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Trifazė galia

Žvaigždės (Y) jungimas: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Trikampio (Δ) jungimas: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Bendra aktyvioji galia: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Pilnutinė ir reaktyvioji galia: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kompensavimo kondensatoriai: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Įtampa ant kiekvieno kondensatoriaus: Δ: V_L Y: V_L/√3
Variklio naudojama galia: P_in = P_out/η

2Uždaviniai

1.DC-DC keitikliaiVidutinis

Idealus aukštinantysis keitiklis 15 V paverčia 20 V, apkrova 5 Ω. Raskite vidutinę induktyvumo srovę I_L.

Vin = 15 VVo = 20 VR = 5 Ω

I_L = A

2.DC-DC keitikliaiSunkus

Idealus aukštinantysis keitiklis 15 V paverčia 60 V, apkrova 8 Ω, dažnis 200 kHz. Išėjimo kondensatorius yra 47 µF. Raskite išėjimo įtampos pulsaciją tarp viršūnių ΔV_o mV.

Vin = 15 VVo = 60 Vf = 200 kHzC = 47 µFR = 8 Ω

ΔV_o = mV

3.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis

Nuolatinės srovės variklis iš 48 V maitinimo vartoja 2 A. Jo inkaro varža yra 2 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 4 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.

V = 48 VI_a = 2 AR_a = 2 ΩP_rot = 4 W

η = %

4.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus

Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 0,15 V·s/rad esant pilnam laukui, R_a = 0,8 Ω, V = 24 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 0,3 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 80 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/radR_a = 0,8 ΩT = 0,3 N·mΦ = 80 %

n = rpm

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis

Induktyvioji apkrova iš 120 V (efektinė) vienfazio tinklo ima 7 A ir 420 W. Modeliuokite ją kaip varžą R, nuosekliai sujungtą su reaktyviąja varža X. Raskite X.

V = 120 VI = 7 AP = 420 W

X = Ω

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus

50 kVA vienfazis transformatorius maitina 13 kW apkrovą, kurios galios koeficientas 0,6 (induktyvus). Kiek papildomos aktyviosios galios ΔP galima pridėti kaip aktyviąją (galios koeficientas lygus vienetui) apkrovą, kol transformatorius pasieks savo vardinę kVA galią?

S_max = 50 kVAP₁ = 13 kWpf₁ = 0,6

ΔP = kW

7.Trifazė galiaVidutinis

Simetrinė trifazė apkrova ima 12 A linijinę srovę iš tinklo, kurio linijinė įtampa 208 V. Galios koeficientas 0,92 (induktyvus). Raskite bendrą apkrovos naudojamą aktyviąją galią P kW.

V_L = 208 VI_L = 12 Acos φ = 0,92

P = kW

8.Trifazė galiaSunkus

Simetrinė trifazė apkrova iš 415 V (linijinė įtampa), 60 Hz tinklo ima 60 kW, kai galios koeficientas 0,7 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,98 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Kondensatoriai sujungti trikampiu. Raskite kiekvieno kondensatoriaus talpą C_ph µF.

P = 60 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,98V_L = 415 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3Tirpalai

1.DC-DC keitikliai

Atsakymas: I_L = 5,333 A

DC-DC keitikliai: jungiklis S įjungiamas kiekvieno periodo T = 1/f dalį D. Nusistovėjusiame režime vidutinė induktyvumo įtampa lygi nuliui (voltsekundžių pusiausvyra), o tai ištisinio laidumo režime duoda idealius keitimo santykius: žeminantysis V_o = D·V_in, aukštinantysis V_o = V_in/(1 − D), invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis |V_o| = V_in·D/(1 − D). Idealus keitiklis išlaiko galią: V_in·I_in = V_o·I_o. Kol S įjungtas, induktyvumo srovė padidėja ΔI_L = V_L·D·T/L, kur V_L = V_in − V_o žeminančiajam ir V_in aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam keitikliui. Išėjimo pulsacija yra ΔV_o = ΔI_L/(8fC) žeminančiajam ir I_o·D/(fC) aukštinančiajam bei žeminančiajam-aukštinančiajam. Induktyvumo srovė vos pasiekia nulį (CCM riba), kai vidutinė induktyvumo srovė lygi ΔI_L/2.

Pildymo koeficientas

D = 1 − 15/20 = 0,25

Apkrovos srovė

I_o = 20/5 = 4 A

Induktyvumo srovė

I_L = I_o/(1 − D) = 4/0,75 = 5,333 A

Atsakymas

I_L = 5,333 A

2.DC-DC keitikliai

Atsakymas: ΔV_o = 598,4 mV

Pildymo koeficientas

D = 1 − 15/60 = 0,75

Apkrovos srovė

I_o = 60/8 = 7,5 A

Išėjimo pulsacija

ΔV_o = 7,5·0,75/(200·10³·47·10⁻⁶) = 598,4 mV

Atsakymas

ΔV_o = 598,4 mV

3.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: η = 87,5 %

Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža R_a, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + I_a·R_a. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·I_a, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·I_a = T·ω; įėjimo galia yra V·I_a, o skirtumą sudaro vario nuostoliai I_a²R_a ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − R_a·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/R_a. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/R_a yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.

Galios

P_in = 48·2 = 96 W

P_dev = 44·2 = 88 W

P_out = 88 − 4 = 84 W

Naudingumo koeficientas

η = 84/96·100 = 87,5 %

Atsakymas

η = 87,5 %

4.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: n = 1751 rpm

Susilpnintoji variklio konstanta

k₂ = 0,8·0,15 = 0,12 V·s/rad

Naujoji inkaro srovė

I_a = 0,3/0,12 = 2,5 A

Naujasis greitis

ω = (24 − 2,5·0,8)/0,12 = 183,3 rad/s → n = 1751 rpm

Atsakymas

n = 1751 rpm

Lauko silpninimas yra būdas, kuriuo nuolatinės srovės pavara veikia didesniu nei bazinis greičiu.

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: X = 14,85 Ω

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Varža iš aktyviosios galios

R = P/I² = 420/7² = 8,571 Ω

Reaktyvioji varža iš pilnutinės varžos

|Z| = V/I = 120/7 = 17,14 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(17,14² − 8,571²) = 14,85 Ω

Atsakymas

X = 14,85 Ω

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: ΔP = 33,9 kW

Esamos apkrovos reaktyvioji galia

Q₁ = 13·tan(arccos 0,6) = 17,33 kvar

Didžiausia bendra aktyvioji galia

Esant vardinei galiai S = S_max, o aktyvioji apkrova Q nekeičia.

P = √(S_max² − Q₁²) = √(50² − 17,33²) = 46,9 kW

Papildoma aktyvioji galia

ΔP = 46,9 − 13 = 33,9 kW

Atsakymas

ΔP = 33,9 kW

7.Trifazė galia

Atsakymas: P = 3,977 kW

Pilnutinė galia

S = √3·V_L·I_L = √3·208·12 = 4,323 kVA

Aktyvioji galia

P = S·cos φ = 4,323·0,92 = 3,977 kW

Atsakymas

P = 3,977 kW

8.Trifazė galia

Atsakymas: C_ph = 251,7 µF

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, V_L = √3·V_ph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, I_L = √3·I_ph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Galios koeficiento gerinimas: kondensatoriai reaktyviąją galią tiekia vietoje, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Kiekvienas iš trijų kondensatorių tiekia Q_C/3 = V²·ω·C, kur V – įtampa ant to kondensatoriaus: trikampiu sujungtoje baterijoje V_L, žvaigžde sujungtoje – V_L/√3.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia nekinta, todėl kiekvienas galios koeficientas nulemia reaktyviąją galią: Q = P·tan φ.

Q₁ = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

Q_C = Q₁ − Q₂ = 49,03 kvar

Vienos fazės talpa

Trikampiu sujungtoje baterijoje kiekvienas kondensatorius prijungtas tarp dviejų linijų.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 16343/(377·415²) = 251,7 µF

Atsakymas

C_ph = 251,7 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics