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
+−48 VLSCR = 25 Ω+−80 V

Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 48 V na 80 V przy obciążeniu 25 Ω. Wyznacz średni prąd cewki IL.

Vin​ = 48 VVo​ = 80 VR = 25 Ω
IL = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
+−36 VSLC = 47 µFR = 20 Ω−+−36 V

Idealna przetwornica odwracająca zamienia 36 V na −36 V przy obciążeniu 20 Ω i 500 kHz. Kondensator wyjściowy ma 47 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.

Vin​ = 36 VVo​ = −36 Vf = 500 kHzC = 47 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.Silniki prądu stałegoŚredni
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Silnik prądu stałego o k = 0,5 V·s/rad jest zasilany napięciem 110 V. Pomijając wszystkie straty na biegu jałowym, wyznacz jego prędkość biegu jałowego n0 w obr/min.

V = 110 Vk = 0,5 V·s/rad
n0 = rpm
4.Silniki prądu stałegoTrudny
+−220 VRa​ = 0,8 ΩIa​: 25 → 10 AM+−En = ?T

Silnik obcowzbudny na 220 V (Ra = 0,8 Ω) pracuje z prędkością 1200 obr/min przy prądzie twornika 25 A. Obciążenie się zmienia i prąd wynosi 10 A, przy niezmienionym polu. Wyznacz nową prędkość n2.

V = 220 VRa = 0,8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 25 AIa2 = 10 A
n2 = rpm
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
240 VZ9 + j12 ΩI

Odbiornik o impedancji Z = 9 + j12 Ω jest podłączony do jednofazowego zasilania 240 V (skuteczne). Wyznacz pobieraną przez niego moc bierną Q.

V = 240 VZ = 9 + j12 Ω
Q = var
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
240 V60 Hzobciążenie2 kW, 0,7C33 µFI = ?

Odbiornik jednofazowy pobiera 2 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z zasilania 240 V, 60 Hz. Równolegle do odbiornika podłączono kondensator 33 µF. Wyznacz nowy prąd linii I.

P = 2 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 33 µF
I = A
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 415 VIL​ = 50 Acos φ = 0,8indukcyjny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 50 A ze źródła o napięciu przewodowym 415 V. Współczynnik mocy wynosi 0,8 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 415 VIL = 50 Acos φ = 0,8
P = kW
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 200 kW przy współczynniku mocy 0,72 (indukcyjnym) z sieci 415 V (napięcie przewodowe), 60 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 gwiazdę. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Roztwory

1.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: IL = 5,333 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 = 1 − 48/80 = 0,4

Prąd obciążenia

Io = 80/25 = 3,2 A

Prąd cewki

IL = Io/(1 − D) = 3,2/0,6 = 5,333 A

Odpowiedź

IL = 5,333 A
2.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔVo = 38,3 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 = 36/(36 + 36) = 0,5

Prąd obciążenia

Io = 36/20 = 1,8 A

Tętnienia wyjścia

ΔVo = 1,8·0,5/(500·10³·47·10⁻⁶) = 38,3 mV

Odpowiedź

ΔVo = 38,3 mV
3.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: n0 = 2101 rpm

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 biegu jałowego

ω₀ = V/k = 110/0,5 = 220 rad/s
n0 = 60·220/(2π) = 2101 rpm

Odpowiedź

n0 = 2101 rpm
4.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: n2 = 1272 rpm

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.

Siła przeciwelektromotoryczna przed zmianą i po niej

E1 = 220 − 25·0,8 = 200 V
E2 = 220 − 10·0,8 = 212 V

Nowa prędkość

n2 = 1200·212/200 = 1272 rpm

Odpowiedź

n2 = 1272 rpm
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Q = 3072 var

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.

Prąd

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

Moc bierna

Q = I²·X = 16²·12 = 3072 var

Odpowiedź

Q = 3072 var
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: I = 9,993 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 = 2·tan(arccos 0,7) = 2,04 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·33·10⁻⁶ = 716,6 var = 0,7166 kvar
Q2 = 2,04 − 0,7166 = 1,324 kvar

Nowa moc pozorna

S2 = √(2² + 1,324²) = 2,398 kVA

Nowy prąd linii

I = S2/V = 2398/240 = 9,993 A

Odpowiedź

I = 9,993 A
7.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 28,75 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 = 35,94·0,8 = 28,75 kW

Odpowiedź

P = 28,75 kW
8.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 1657 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 107,6 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w gwiazdę każdy kondensator jest włączony między przewód fazowy a punkt gwiazdowy.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 35857/(377·239,6²) = 1657 µF

Odpowiedź

Cph = 1657 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics