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 žeminantysis keitiklis 24 V paverčia 6 V, dažnis 500 kHz, L = 33 µH. Raskite induktyvumo pulsacijos srovę tarp viršūnių ΔI_L.

Vin = 24 VVo = 6 Vf = 500 kHzL = 33 µH

ΔI_L = A

2.DC-DC keitikliaiSunkus

Idealus invertuojantysis žeminantysis-aukštinantysis keitiklis 9 V paverčia −13,5 V, apkrova 50 Ω, dažnis 500 kHz. Raskite mažiausią induktyvumą L_crit ištisinio laidumo režimui.

Vin = 9 VVo = −13,5 Vf = 500 kHzR = 50 Ω

L_crit = µH

3.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis

Nuolatinės srovės variklis iš 120 V maitinimo vartoja 25 A. Jo inkaro varža yra 0,2 Ω, o sukimosi (trinties, ventiliacijos ir plieno) nuostoliai yra 230 W. Raskite jo naudingumo koeficientą η.

V = 120 VI_a = 25 AR_a = 0,2 ΩP_rot = 230 W

η = %

4.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus

Nepriklausomo žadinimo nuolatinės srovės variklis (k = 1,2 V·s/rad esant pilnam laukui, R_a = 1 Ω, V = 240 V) sukasi pastoviu apkrovos momentu 18 N·m. Magnetinis srautas sumažinamas iki 85 % pilnos reikšmės. Raskite naująjį greitį n.

V = 240 Vk = 1,2 V·s/radR_a = 1 ΩT = 18 N·mΦ = 85 %

n = rpm

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis

Dvi apkrovos lygiagrečiai prijungtos prie 230 V vienfazio tinklo: 14 kW apkrova, kurios galios koeficientas 0,85 (induktyvus), ir 2 kW apkrova, kurios galios koeficientas 0,85 (induktyvus). Raskite bendrą tinklo matomą galios koeficientą cos φ.

V = 230 VP₁ = 14 kW, pf₁ = 0,85 induktyvusP₂ = 2 kW, pf₂ = 0,85 induktyvus

cos φ =

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus

24 V (efektinė), 50 Hz šaltinio vidinė pilnutinė varža Z_s = 25 + j40 Ω. Apkrovos pilnutinę varžą Z_L galima pasirinkti laisvai. Didžiausios galios apkrova sudaroma iš rezistoriaus, nuosekliai sujungto su kondensatoriumi. Raskite talpą C.

V_s = 24 V (rms)f = 50 HzZ_s = 25 + j40 Ω

C = µF

7.Trifazė galiaVidutinis

Simetrinė trikampiu sujungta apkrova, kurios fazės impedansas 15 + j20 Ω, prijungta prie simetrinio trifazio tinklo, kurio linijinė įtampa 480 V. Raskite bendrą apkrovos naudojamą aktyviąją galią P kW.

V_L = 480 VZ = 15 + j20 Ω vienai fazei

P = kW

8.Trifazė galiaSunkus

Simetrinė trifazė apkrova iš 480 V (linijinė įtampa), 50 Hz tinklo ima 60 kW, kai galios koeficientas 0,75 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,92 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Raskite bendrą reaktyviąją galią Q_C, kurią turi tiekti kondensatorių baterija, kvar.

P = 60 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,92V_L = 480 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3Tirpalai

1.DC-DC keitikliai

Atsakymas: ΔI_L = 0,2727 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 = 6/24 = 0,25

Induktyvumo įtampa įjungimo metu

Kol S įjungtas, induktyvumas yra tarp V_in ir V_o.

V_L = 24 − 6 = 18 V

Pulsacijos srovė

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 18·0,25/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,2727 A

Atsakymas

ΔI_L = 0,2727 A

2.DC-DC keitikliai

Atsakymas: L_crit = 8 µH

Pildymo koeficientas

D = 13,5/(9 + 13,5) = 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)²·50/(2500·10³) = 8 µH

Atsakymas

L_crit = 8 µH

3.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: η = 88,17 %

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 = 120·25 = 3000 W

P_dev = 115·25 = 2875 W

P_out = 2875 − 230 = 2645 W

Naudingumo koeficientas

η = 2645/3000·100 = 88,17 %

Atsakymas

η = 88,17 %

4.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: n = 2082 rpm

Susilpnintoji variklio konstanta

k₂ = 0,85·1,2 = 1,02 V·s/rad

Naujoji inkaro srovė

I_a = 18/1,02 = 17,65 A

Naujasis greitis

ω = (240 − 17,65·1)/1,02 = 218 rad/s → n = 2082 rpm

Atsakymas

n = 2082 rpm

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

5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: cos φ = 0,85

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.

Kiekvienos apkrovos reaktyvioji galia

Induktyvioji apkrova reaktyviąją galią ima (Q > 0); talpinė ją tiekia (Q < 0).

Q₁ = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar

Q₂ = 2·tan(arccos 0,85) = 1,239 kvar

Sumos

P = 14 + 2 = 16 kW

Q = 8,676 + 1,239 = 9,916 kvar

S = √(16² + 9,916²) = 18,82 kVA

Bendras galios koeficientas

cos φ = P/S = 16/18,82 = 0,85 induktyvus

Atsakymas

cos φ = 0,85

6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: C = 79,58 µF

Jungtinis suderinimas

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

Z_L = Z_s* = 25 − j40 Ω

Talpa

X_C = 40 Ω → C = 1/(2π·50·40) = 79,58 µF

Atsakymas

C = 79,58 µF

7.Trifazė galia

Atsakymas: P = 16,59 kW

Fazinė įtampa

V_ph = V_L = 480 V

Fazinė srovė

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω

I_ph = 480/25 = 19,2 A

Bendra aktyvioji galia

Aktyviąją galią naudoja tik aktyvioji kiekvieno impedanso dalis.

P = 3·I_ph²·R = 3·19,2²·15 = 16,59 kW

Atsakymas

P = 16,59 kW

Patikrinimas: cos φ = R/|Z| = 0,6, o √3·V_L·I_L·cos φ duoda tą pačią galią.

8.Trifazė galia

Atsakymas: Q_C = 27,36 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

Q_C = Q₁ − Q₂ = 27,36 kvar

Atsakymas

Q_C = 27,36 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics