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

Žeminantysis keitiklis 15 V paverčia 7,5 V, apkrova 12 Ω. Jungimo dažnis 250 kHz, L = 100 µH. Raskite didžiausią induktyvumo srovę I_max.

Vin = 15 VVo = 7,5 Vf = 250 kHzL = 100 µHR = 12 Ω

I_max = A

2.DC-DC keitikliaiSunkus

Idealus invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis keitiklis 15 V paverčia −22,5 V, apkrova 10 Ω, dažnis 50 kHz. Raskite mažiausią induktyvumą L_crit ištisinio laidumo režimui.

Vin = 15 VVo = −22,5 Vf = 50 kHzR = 10 Ω

L_crit = µH

3.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis

Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 0,12 N·m/A, o R_a = 0,4 Ω, prijungtas prie 48 V. Raskite jo stabdymo momentą T_stall, momentą esant nuliniam greičiui.

V = 48 Vk = 0,12 N·m/AR_a = 0,4 Ω

T_stall = N·m

4.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus

Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis, maitinamas 120 V (R_a = 0,5 Ω), sukasi 1200 aps./min, kai inkaro srovė yra 12 A. Apkrova pasikeičia ir srovė tampa 3 A, o magnetinis laukas nekinta. Raskite naująjį greitį n₂.

V = 120 VR_a = 0,5 Ωn₁ = 1200 rpmI_a1 = 12 AI_a2 = 3 A

n₂ = rpm

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis

Induktyvioji apkrova iš 230 V (efektinė) vienfazio tinklo ima 19 A ir 3715 W. Modeliuokite ją kaip varžą R, nuosekliai sujungtą su reaktyviąja varža X. Raskite X.

V = 230 VI = 19 AP = 3715 W

X = Ω

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus

230 V (efektinė), 60 Hz šaltinio vidinė pilnutinė varža Z_s = 10 + j40 Ω. Apkrovos pilnutinę varžą Z_L galima pasirinkti laisvai. Raskite didžiausią aktyviąją galią P_max, kurią galima perduoti apkrovai.

V_s = 230 V (rms)f = 60 HzZ_s = 10 + j40 Ω

P_max = W

7.Trifazė galiaVidutinis

Trifazis asinchroninis variklis esant vardinei apkrovai tiekia 110 kW mechaninės galios. Esant šiai apkrovai jo naudingumo koeficientas 93%, o galios koeficientas 0,8 (induktyvus). Tinklo linijinė įtampa 480 V. Raskite linijinę srovę I_L.

P_out = 110 kWη = 93%cos φ = 0,8V_L = 480 V

I_L = A

8.Trifazė galiaSunkus

Simetrinė trifazė apkrova iš 480 V (linijinė įtampa), 50 Hz tinklo ima 120 kW, kai galios koeficientas 0,78 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,9 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Raskite bendrą reaktyviąją galią Q_C, kurią turi tiekti kondensatorių baterija, kvar.

P = 120 kWpf₁ = 0,78pf₂ = 0,9V_L = 480 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3Tirpalai

1.DC-DC keitikliai

Atsakymas: I_max = 0,7 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 = 7,5/15 = 0,5

Vidutinė ir pulsacijos srovė

I_o = 7,5/12 = 0,625 A

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 7,5·0,5/(100·10⁻⁶·250·10³) = 0,15 A

Didžiausia srovė

I_max = 0,625 + 0,15/2 = 0,7 A

Atsakymas

I_max = 0,7 A

2.DC-DC keitikliai

Atsakymas: L_crit = 16 µH

Pildymo koeficientas

D = 22,5/(15 + 22,5) = 0,6

Ribos sąlyga

Vidutinę induktyvumo srovę prilyginkite pusei pulsacijos srovės ir išspręskite L.

L_crit = (1 − D)²·R/(2f)

Kritinis induktyvumas

L_crit = (1 − 0,6)²·10/(250·10³) = 16 µH

Atsakymas

L_crit = 16 µH

3.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: T_stall = 14,4 N·m

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.

Stabdymo srovė

I_a = V/R_a = 48/0,4 = 120 A

Stabdymo momentas

T_stall = 0,12·120 = 14,4 N·m

Atsakymas

T_stall = 14,4 N·m

4.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: n₂ = 1247 rpm

Priešelektrovara prieš ir po

E₁ = 120 − 12·0,5 = 114 V

E₂ = 120 − 3·0,5 = 118,5 V

Naujasis greitis

n₂ = 1200·118,5/114 = 1247 rpm

Atsakymas

n₂ = 1247 rpm

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: X = 6,375 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 = 3715/19² = 10,29 Ω

Reaktyvioji varža iš pilnutinės varžos

|Z| = V/I = 230/19 = 12,11 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(12,11² − 10,29²) = 6,375 Ω

Atsakymas

X = 6,375 Ω

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: P_max = 1323 W

Jungtinis suderinimas

Apkrovos reaktyvioji varža panaikina šaltinio reaktyviąją varžą, o apkrovos varža lygi šaltinio varžai.

Z_L = Z_s* = 10 − j40 Ω

Didžiausia galia

I = V_s/(2R_s) = 230/20 = 11,5 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 230²/(4·10) = 1323 W

Atsakymas

P_max = 1323 W

7.Trifazė galia

Atsakymas: I_L = 177,8 A

Naudojama elektrinė galia

P_in = P_out/η = 110/0,93 = 118,3 kW

Linijos srovė

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 118280/(√3·480·0,8) = 177,8 A

Atsakymas

I_L = 177,8 A

8.Trifazė galia

Atsakymas: Q_C = 38,16 kvar

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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar

Q₂ = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

Q_C = Q₁ − Q₂ = 38,16 kvar

Atsakymas

Q_C = 38,16 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics