Energoelektronika i napędy: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Przetwornice DC-DC

Obniżająca
Vo = D·Vin
Podwyższająca
Vo = Vin/(1 − D)
Odwracająca
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Idealny bilans mocy
VinIin = VoIo
Tętnienia prądu cewki
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Średni prąd cewki
obniżająca Io; podwyższająca i odwracająca Io/(1 − D)
Tętnienia wyjścia
obniżająca ΔIL/(8fC); podwyższająca i odwracająca Io·D/(fC)
Granica pracy z prądem ciągłym
obniżająca (1 − D)R/(2f); podwyższająca D(1 − D)²R/(2f); odwracająca (1 − D)²R/(2f)

Metoda

  1. Rozpoznaj przetwornicę (obniżającą, podwyższającą lub odwracającą) i wyznacz współczynnik wypełnienia D z przekładni napięciowej.
  2. Użyj bilansu woltosekundowego na cewce: średnie napięcie na cewce w ciągu okresu jest równe zero.
  3. Wyznacz napięcie na cewce przy załączonym kluczu, a potem ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Dla tętnień wyjścia wyznacz ładunek wpływający do kondensatora i z niego wypływający; dla granicy pracy z prądem ciągłym przyrównaj średni prąd cewki do ΔIL/2.

Silniki prądu stałego

Obwód twornika
V = E + IaRa
Siła przeciwelektromotoryczna i moment
E = k·ω, T = k·Ia
Prędkość
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Prędkość biegu jałowego i moment utyku
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Moce
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Rozruch
Istart = V/(Ra + Rst)
Zmienność prędkości
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maksymalna moc wytworzona
Pmax = V²/(4Ra)
Napęd z przerywaczem
Va = D·Vdc

Metoda

  1. Narysuj obwód twornika: napięcie zasilania V, rezystancja Ra i siła przeciwelektromotoryczna E połączone szeregowo.
  2. Użyj V = E + Ia·Ra, aby powiązać napięcie, prąd i siłę przeciwelektromotoryczną.
  3. Użyj E = k·ω dla prędkości i T = k·Ia dla momentu, z ω = 2π·n/60.
  4. Dla mocy i sprawności zacznij od V·Ia, odejmij straty w miedzi Ia²·Ra, a potem straty mechaniczne.

Moc AC i współczynnik mocy

Moc czynna
P = V·I·cos φ
Moc bierna
Q = V·I·sin φ
Moc pozorna
S = V·I = √(P² + Q²)
Współczynnik mocy
pf = cos φ = P/S
Kondensator kompensacyjny
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Moc w układach trójfazowych

Połączenie w gwiazdę (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Połączenie w trójkąt (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Całkowita moc czynna
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Moc pozorna i bierna
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze
Δ: VL Y: VL/√3
Moc pobierana przez silnik
Pin = Pout/η

2Zadania do ćwiczenia

1.Przetwornice DC-DCŚredni
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

Idealna przetwornica obniżająca zamienia 15 V na 4,5 V przy 40 kHz i L = 47 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.

Vin​ = 15 VVo​ = 4,5 Vf = 40 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
+−48 VSLC = 22 µFR = 50 Ω−+−16 V

Idealna przetwornica odwracająca zamienia 48 V na −16 V przy obciążeniu 50 Ω i 40 kHz. Kondensator wyjściowy ma 22 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.

Vin​ = 48 VVo​ = −16 Vf = 40 kHzC = 22 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Silniki prądu stałegoŚredni
T (N·m)n (rpm)48 N·mn0​nFL​

Silnik prądu stałego (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) jest zasilany napięciem 220 V. Przy pełnym obciążeniu pobiera 40 A. Pomijając prąd biegu jałowego, wyznacz jego zmienność prędkości SR = (n₀ − nFL)/nFL w procentach.

V = 220 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 40 A
SR = %
4.Silniki prądu stałegoTrudny
+−24 VRa​ = 2,5 ΩM+−EωT

Mały silnik prądu stałego ma rezystancję twornika 2,5 Ω i jest zasilany napięciem 24 V. Pomijając straty mechaniczne, wyznacz największą moc mechaniczną Pmax, jaką może rozwinąć przy dowolnej prędkości.

V = 24 VRa = 2,5 Ω
Pmax = W
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
400 V116 kW, 0,723 kW, 0,9I

Do jednofazowego zasilania 400 V podłączono równolegle dwa odbiorniki: odbiornik 16 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) oraz odbiornik 3 kW przy współczynniku mocy 0,9 (pojemnościowym). Wyznacz wypadkowy współczynnik mocy cos φ widziany przez zasilanie.

V = 400 VP1 = 16 kW, pf1 = 0,7 indukcyjnyP2 = 3 kW, pf2 = 0,9 pojemnościowy
cos φ =
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
400 V50 Hzobciążenie30 kW, 0,7C470 µFI = ?

Odbiornik jednofazowy pobiera 30 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z zasilania 400 V, 50 Hz. Równolegle do odbiornika podłączono kondensator 470 µF. Wyznacz nowy prąd linii I.

P = 30 kWpf1 = 0,7V = 400 Vf = 50 HzC = 470 µF
I = A
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 415 VIL​ = 50 Acos φ = 0,75indukcyjny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 50 A ze źródła o napięciu przewodowym 415 V. Współczynnik mocy wynosi 0,75 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 415 VIL = 50 Acos φ = 0,75
P = kW
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 100 kW przy współczynniku mocy 0,75 (indukcyjnym) z sieci 480 V (napięcie przewodowe), 50 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,92 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w trójkąt. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Roztwory

1.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔIL = 1,676 A

Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.

Współczynnik wypełnienia

D = 4,5/15 = 0,3

Napięcie na cewce w czasie załączenia

Gdy klucz S jest załączony, cewka leży między Vin a Vo.

VL = 15 − 4,5 = 10,5 V

Tętnienia prądu

ΔIL = VL·D/(L·f) = 10,5·0,3/(47·10⁻⁶·40·10³) = 1,676 A

Odpowiedź

ΔIL = 1,676 A
2.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔVo = 90,91 mV

Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.

Współczynnik wypełnienia

D = 16/(48 + 16) = 0,25

Prąd obciążenia

Io = 16/50 = 0,32 A

Tętnienia wyjścia

ΔVo = 0,32·0,25/(40·10³·22·10⁻⁶) = 90,91 mV

Odpowiedź

ΔVo = 90,91 mV
3.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: SR = 3,774 %

Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.

Prędkość na biegu jałowym i przy pełnym obciążeniu

n₀ = 60·220/(2π·1,2) = 1751 rpm
nFL = 60·(220 − 40·0,2)/(2π·1,2) = 1687 rpm

Zmienność prędkości

SR = (1751 − 1687)/1687·100 = 3,774 %

Odpowiedź

SR = 3,774 %
4.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: Pmax = 57,6 W

Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.

Moc w funkcji siły przeciwelektromotorycznej

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

Moc maksymalna

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·2,5) = 57,6 W

Odpowiedź

Pmax = 57,6 W

W tym punkcie sprawność wynosi tylko 50 %, więc rzeczywiste silniki pracują wyraźnie powyżej połowy prędkości.

5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: cos φ = 0,7875

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Moc bierna każdego odbiornika

Odbiornik indukcyjny pobiera moc bierną (Q > 0); odbiornik pojemnościowy ją oddaje (Q < 0).

Q1 = 16·tan(arccos 0,7) = 16,32 kvar
Q2 = −3·tan(arccos 0,9) = −1,453 kvar

Sumy

P = 16 + 3 = 19 kW
Q = 16,32 + (−1,453) = 14,87 kvar
S = √(19² + 14,87²) = 24,13 kVA

Wypadkowy współczynnik mocy

cos φ = P/S = 19/24,13 = 0,7875 indukcyjny

Odpowiedź

cos φ = 0,7875
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: I = 77 A

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Moc bierna przed i po

Moc czynna P się nie zmienia; zmienia się tylko moc bierna pobierana z sieci.

Q1 = 30·tan(arccos 0,7) = 30,61 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·470·10⁻⁶ = 23625 var = 23,62 kvar
Q2 = 30,61 − 23,62 = 6,981 kvar

Nowa moc pozorna

S2 = √(30² + 6,981²) = 30,8 kVA

Nowy prąd linii

I = S2/V = 30802/400 = 77 A

Odpowiedź

I = 77 A
7.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 26,96 kW

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Moc pozorna

S = √3·VL·IL = √3·415·50 = 35,94 kVA

Moc czynna

P = S·cos φ = 35,94·0,75 = 26,96 kW

Odpowiedź

P = 26,96 kW
8.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 210 µF

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza QC/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: VL w baterii połączonej w trójkąt, VL/√3 w baterii połączonej w gwiazdę.

Moc bierna przed i po

Moc czynna się nie zmienia, więc każdy współczynnik mocy wyznacza moc bierną: Q = P·tan φ.

Q1 = 100·tan(acos 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 45,59 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w trójkąt każdy kondensator jest włączony między dwa przewody fazowe.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15197/(314,2·480²) = 210 µF

Odpowiedź

Cph = 210 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics