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 9 V na 3,6 V przy 20 kHz i L = 220 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 20 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
+−15 VLSC = 22 µFR = 20 Ω+−37,5 V

Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 15 V na 37,5 V przy obciążeniu 20 Ω i 25 kHz. Kondensator wyjściowy ma 22 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.

Vin​ = 15 VVo​ = 37,5 Vf = 25 kHzC = 22 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.Silniki prądu stałegoŚredni
T (N·m)n (rpm)20 N·mn0​nFL​

Silnik prądu stałego (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) jest zasilany napięciem 220 V. Przy pełnym obciążeniu pobiera 25 A. Pomijając prąd biegu jałowego, wyznacz jego zmienność prędkości SR = (n₀ − nFL)/nFL w procentach.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,4 ΩIFL = 25 A
SR = %
4.Silniki prądu stałegoTrudny
T (N·m)n (rpm)6 N·m500 rpm

Silnik prądu stałego o k = 1,2 V·s/rad i Ra = 0,8 Ω ma napędzać obciążenie 6 N·m przy 500 obr/min. Wyznacz potrzebne napięcie twornika V.

k = 1,2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 6 N·mn = 500 rpm
V = V
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
240 V129 kW, 0,85219 kW, 0,7I = ?

Do jednofazowego zasilania 240 V podłączono równolegle dwa odbiorniki: odbiornik 29 kW przy współczynniku mocy 0,85 (indukcyjnym) oraz odbiornik 19 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym). Wyznacz prąd całkowity I pobierany z zasilania.

V = 240 VP1 = 29 kW, pf1 = 0,85 indukcyjnyP2 = 19 kW, pf2 = 0,7 indukcyjny
I = A
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
50 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Źródło 50 V (skuteczne), 60 Hz ma impedancję wewnętrzną Zs = 25 + j3 Ω. Impedancję obciążenia ZL można dobrać dowolnie. Wyznacz maksymalną moc czynną Pmax, jaką można dostarczyć do obciążenia.

Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j3 Ω
Pmax = W
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 415 VIL​ = 75 Acos φ = 0,88indukcyjny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 75 A ze źródła o napięciu przewodowym 415 V. Współczynnik mocy wynosi 0,88 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 415 VIL = 75 Acos φ = 0,88
P = kW
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 50 kW przy współczynniku mocy 0,78 (indukcyjnym) z sieci 400 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. Kondensatory są połączone w gwiazdę. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Roztwory

1.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔIL = 0,4909 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 = 3,6/9 = 0,4

Napięcie na cewce w czasie załączenia

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

VL = 9 − 3,6 = 5,4 V

Tętnienia prądu

ΔIL = VL·D/(L·f) = 5,4·0,4/(220·10⁻⁶·20·10³) = 0,4909 A

Odpowiedź

ΔIL = 0,4909 A
2.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔVo = 2045 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 − 15/37,5 = 0,6

Prąd obciążenia

Io = 37,5/20 = 1,875 A

Tętnienia wyjścia

ΔVo = 1,875·0,6/(25·10³·22·10⁻⁶) = 2045 mV

Odpowiedź

ΔVo = 2045 mV
3.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: SR = 4,762 %

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·0,8) = 2626 rpm
nFL = 60·(220 − 25·0,4)/(2π·0,8) = 2507 rpm

Zmienność prędkości

SR = (2626 − 2507)/2507·100 = 4,762 %

Odpowiedź

SR = 4,762 %
4.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: V = 66,83 V

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

E = 1,2·52,36 = 62,83 V

Prąd twornika

Ia = 6/1,2 = 5 A

Napięcie twornika

V = 62,83 + 5·0,8 = 66,83 V

Odpowiedź

V = 66,83 V
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: I = 253,4 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 każdego odbiornika

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

Q1 = 29·tan(arccos 0,85) = 17,97 kvar
Q2 = 19·tan(arccos 0,7) = 19,38 kvar

Sumy

P = 29 + 19 = 48 kW
Q = 17,97 + 19,38 = 37,36 kvar
S = √(48² + 37,36²) = 60,82 kVA

Prąd całkowity

I = S/V = 60824/240 = 253,4 A

Odpowiedź

I = 253,4 A
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Pmax = 25 W

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.

Dopasowanie sprzężone

Reaktancja obciążenia znosi reaktancję źródła, a rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła.

ZL = Zs* = 25 − j3 Ω

Moc maksymalna

I = Vs/(2Rs) = 50/50 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·25) = 25 W

Odpowiedź

Pmax = 25 W
7.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 47,44 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 = √3·415·75 = 53,91 kVA

Moc czynna

P = S·cos φ = 53,91·0,88 = 47,44 kW

Odpowiedź

P = 47,44 kW
8.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 392,6 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 23,68 kvar

Pojemność na fazę

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7893/(377·230,9²) = 392,6 µF

Odpowiedź

Cph = 392,6 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics