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 36 V na 14,4 V przy obciążeniu 20 Ω. Przełącza z częstotliwością 500 kHz i ma L = 100 µH. Wyznacz szczytowy prąd cewki Imax.
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 24 V na 96 V przy obciążeniu 8 Ω i 100 kHz. Kondensator wyjściowy ma 470 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.
Vin = 24 VVo = 96 Vf = 100 kHzC = 470 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
3.Silniki prądu stałegoŚredni
Silnik prądu stałego pobiera 50 A z zasilania 220 V. Jego rezystancja twornika wynosi 0,4 Ω, a straty mechaniczne (tarcie, opór powietrza i straty w żelazie) wynoszą 300 W. Wyznacz jego sprawność η.
V = 220 VIa = 50 ARa = 0,4 ΩProt = 300 W
η = %
4.Silniki prądu stałegoTrudny
Mały silnik prądu stałego ma rezystancję twornika 1,5 Ω i jest zasilany napięciem 24 V. Pomijając straty mechaniczne, wyznacz największą moc mechaniczną Pmax, jaką może rozwinąć przy dowolnej prędkości.
V = 24 VRa = 1,5 Ω
Pmax = W
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
Silnik jednofazowy pobiera 35 kW przy współczynniku mocy 0,65 (indukcyjnym) z zasilania 400 V. Wyznacz moc bierną Q, którą pobiera.
P = 35 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
Transformator jednofazowy 50 kVA zasila odbiornik 10 kW przy współczynniku mocy 0,6 (indukcyjnym). Ile dodatkowej mocy czynnej ΔP można dołączyć jako odbiornik rezystancyjny (współczynnik mocy równy 1), zanim transformator osiągnie swoją moc znamionową w kVA?
Smax = 50 kVAP1 = 10 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 20 A ze źródła o napięciu przewodowym 480 V. Współczynnik mocy wynosi 0,92 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.
VL = 480 VIL = 20 Acos φ = 0,92
P = kW
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 80 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 0,95 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Wyznacz całkowitą moc bierną QC, którą musi dostarczyć bateria kondensatorów, w kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Roztwory
1.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Imax = 0,8064 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 = 14,4/36 = 0,4
Średni prąd i tętnienia prądu
Io = 14,4/20 = 0,72 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(100·10⁻⁶·500·10³) = 0,1728 A
Prąd szczytowy
Imax = 0,72 + 0,1728/2 = 0,8064 A
Odpowiedź
Imax = 0,8064 A
2.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔVo = 191,5 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 = 1 − 24/96 = 0,75
Prąd obciążenia
Io = 96/8 = 12 A
Tętnienia wyjścia
ΔVo = 12·0,75/(100·10³·470·10⁻⁶) = 191,5 mV
Odpowiedź
ΔVo = 191,5 mV
3.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: η = 88,18 %
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 = 220·50 = 11000 W
Pdev = 200·50 = 10000 W
Pout = 10000 − 300 = 9700 W
Sprawność
η = 9700/11000·100 = 88,18 %
Odpowiedź
η = 88,18 %
4.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Pmax = 96 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/(4·1,5) = 96 W
Odpowiedź
Pmax = 96 W
W tym punkcie sprawność wynosi tylko 50 %, więc rzeczywiste silniki pracują wyraźnie powyżej połowy prędkości.
5.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: Q = 40,92 kvar
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.
Kąt
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Moc bierna
Q = P·tan φ = 35·1,169 = 40,92 kvar
Odpowiedź
Q = 40,92 kvar
6.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: ΔP = 38,19 kW
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 istniejącego odbiornika
Q1 = 10·tan(arccos 0,6) = 13,33 kvar
Największa łączna moc czynna
Przy pełnym obciążeniu znamionowym S = Smax, a odbiornik rezystancyjny nie zmienia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 13,33²) = 48,19 kW
Dodatkowa moc czynna
ΔP = 48,19 − 10 = 38,19 kW
Odpowiedź
ΔP = 38,19 kW
7.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: P = 15,3 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 = √3·480·20 = 16,63 kVA
Moc czynna
P = S·cos φ = 16,63·0,92 = 15,3 kW
Odpowiedź
P = 15,3 kW
8.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: QC = 37,89 kvar
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.