Rozpoznaj przetwornicę (obniżającą, podwyższającą lub odwracającą) i wyznacz współczynnik wypełnienia D z przekładni napięciowej.
Użyj bilansu woltosekundowego na cewce: średnie napięcie na cewce w ciągu okresu jest równe zero.
Wyznacz napięcie na cewce przy załączonym kluczu, a potem ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Narysuj obwód twornika: napięcie zasilania V, rezystancja Ra i siła przeciwelektromotoryczna E połączone szeregowo.
Użyj V = E + Ia·Ra, aby powiązać napięcie, prąd i siłę przeciwelektromotoryczną.
Użyj E = k·ω dla prędkości i T = k·Ia dla momentu, z ω = 2π·n/60.
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
Przetwornica obniżająca zamienia 9 V na 4,5 V przy obciążeniu 12 Ω. Przełącza z częstotliwością 25 kHz i ma L = 330 µH. Wyznacz szczytowy prąd cewki Imax.
Vin = 9 VVo = 4,5 Vf = 25 kHzL = 330 µHR = 12 Ω
Imax = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
Przetwornica obniżająca zamienia 9 V na 4,5 V przy obciążeniu 2 Ω i 25 kHz, z L = 33 µH i C = 220 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.
Silnik prądu stałego pobiera 15 A z zasilania 110 V. Jego rezystancja twornika wynosi 0,8 Ω, a straty mechaniczne (tarcie, opór powietrza i straty w żelazie) wynoszą 118 W. Wyznacz jego sprawność η.
V = 110 VIa = 15 ARa = 0,8 ΩProt = 118 W
η = %
4.Silniki prądu stałegoTrudny
Silnik prądu stałego 110 V ma rezystancję twornika 1,2 Ω. Wyznacz szeregowy rezystor rozruchowy Rst, który ogranicza prąd rozruchowy do 60 A.
V = 110 VRa = 1,2 ΩImax = 60 A
Rst = Ω
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
Odbiornik o impedancji Z = 12 + j9 Ω jest podłączony do jednofazowego zasilania 120 V (skuteczne). Wyznacz moc pozorną S.
V = 120 VZ = 12 + j9 Ω
S = VA
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
Odbiornik jednofazowy pobiera 16 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z zasilania 240 V, 60 Hz. Równolegle do odbiornika podłączono kondensator 150 µF. Wyznacz nowy współczynnik mocy cos φ widziany przez zasilanie.
P = 16 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
Trójfazowy silnik indukcyjny oddaje przy pełnym obciążeniu 55 kW mocy mechanicznej. Przy tym obciążeniu jego sprawność wynosi 91%, a współczynnik mocy 0,9 (indukcyjny). Napięcie przewodowe sieci wynosi 415 V. Wyznacz prąd przewodowy IL.
Pout = 55 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 60 kW przy współczynniku mocy 0,78 (indukcyjnym) z sieci 480 V (napięcie przewodowe), 60 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,98 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w gwiazdę. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.
P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Roztwory
1.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Imax = 0,5114 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 = 4,5/9 = 0,5
Średni prąd i tętnienia prądu
Io = 4,5/12 = 0,375 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 4,5·0,5/(330·10⁻⁶·25·10³) = 0,2727 A
Prąd szczytowy
Imax = 0,375 + 0,2727/2 = 0,5114 A
Odpowiedź
Imax = 0,5114 A
2.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔVo = 61,98 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 = 4,5/9 = 0,5
Tętnienia prądu cewki
ΔIL = (9 − 4,5)·0,5/(33·10⁻⁶·25·10³) = 2,727 A
Tętnienia wyjścia
ΔVo = 2,727/(8·25·10³·220·10⁻⁶) = 61,98 mV
Odpowiedź
ΔVo = 61,98 mV
3.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: η = 81,94 %
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.
Moce
Pin = 110·15 = 1650 W
Pdev = 98·15 = 1470 W
Pout = 1470 − 118 = 1352 W
Sprawność
η = 1352/1650·100 = 81,94 %
Odpowiedź
η = 81,94 %
4.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Rst = 0,6333 Ω
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.
Rezystancja całkowita
Ra + Rst = 110/60 = 1,833 Ω
Rezystor rozruchowy
Rst = 1,833 − 1,2 = 0,6333 Ω
Odpowiedź
Rst = 0,6333 Ω
Rezystor jest wyłączany stopniowo, w miarę jak silnik przyspiesza, a siła przeciwelektromotoryczna rośnie.
5.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: S = 960 VA
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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A
Moc pozorna
S = V·I = 120·8 = 960 VA
Odpowiedź
S = 960 VA
6.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: cos φ = 0,7745
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 = 16·tan(arccos 0,7) = 16,32 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 16,32 − 3,257 = 13,07 kvar
Nowa moc pozorna
S2 = √(16² + 13,07²) = 20,66 kVA
Nowy współczynnik mocy
cos φ = P/S2 = 16/20,66 = 0,7745
Odpowiedź
cos φ = 0,7745
7.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: IL = 93,43 A
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.
Elektryczna moc wejściowa
Pin = Pout/η = 55/0,91 = 60,44 kW
Prąd linii
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 60440/(√3·415·0,9) = 93,43 A
Odpowiedź
IL = 93,43 A
8.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: Cph = 413,9 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar
Moc bierna z kondensatorów
QC = Q1 − Q2 = 35,95 kvar
Pojemność na fazę
W baterii połączonej w gwiazdę każdy kondensator jest włączony między przewód fazowy a punkt gwiazdowy.