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
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 12 V na 48 V przy obciążeniu 10 Ω. Wyznacz średni prąd cewki IL.
Vin = 12 VVo = 48 VR = 10 Ω
IL = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
Przetwornica obniżająca zamienia 15 V na 10,5 V przy 200 kHz i L = 100 µH. Wyznacz najmniejszy prąd obciążenia Io,min, przy którym nadal pracuje z prądem ciągłym.
Vin = 15 VVo = 10,5 Vf = 200 kHzL = 100 µH
Io,min = A
3.Silniki prądu stałegoŚredni
Silnik prądu stałego o k = 0,6 N·m/A i Ra = 0,4 Ω jest dołączony do napięcia 110 V. Wyznacz jego moment utyku Tstall, czyli moment przy zerowej prędkości.
V = 110 Vk = 0,6 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
4.Silniki prądu stałegoTrudny
Silnik obcowzbudny na 220 V (Ra = 1 Ω) pracuje z prędkością 1440 obr/min przy prądzie twornika 25 A. Obciążenie się zmienia i prąd wynosi 15 A, przy niezmienionym polu. Wyznacz nową prędkość n2.
V = 220 VRa = 1 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 25 AIa2 = 15 A
n2 = rpm
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
Do jednofazowego zasilania 240 V podłączono równolegle dwa odbiorniki: odbiornik 17 kW przy współczynniku mocy 0,6 (indukcyjnym) oraz odbiornik 8 kW przy współczynniku mocy 0,85 (pojemnościowym). Wyznacz wypadkowy współczynnik mocy cos φ widziany przez zasilanie.
Odbiornik jednofazowy pobiera 40 kW przy współczynniku mocy 0,8 (indukcyjnym) z zasilania 400 V, 60 Hz. Kondensator dołączony równolegle podnosi współczynnik mocy do 0,92. Wyznacz nowy prąd linii Inew.
P = 40 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
Trójfazowy silnik indukcyjny oddaje przy pełnym obciążeniu 18,5 kW mocy mechanicznej. Przy tym obciążeniu jego sprawność wynosi 88%, a współczynnik mocy 0,9 (indukcyjny). Napięcie przewodowe sieci wynosi 480 V. Wyznacz prąd przewodowy IL.
Pout = 18,5 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 300 kW przy współczynniku mocy 0,72 (indukcyjnym) z sieci 690 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 = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Roztwory
1.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: IL = 19,2 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 − 12/48 = 0,75
Prąd obciążenia
Io = 48/10 = 4,8 A
Prąd cewki
IL = Io/(1 − D) = 4,8/0,25 = 19,2 A
Odpowiedź
IL = 19,2 A
2.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Io,min = 0,07875 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 = 10,5/15 = 0,7
Tętnienia prądu
ΔIL = 10,5·0,3/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,1575 A
Graniczny prąd obciążenia
Io,min = ΔIL/2 = 0,07875 A
Odpowiedź
Io,min = 0,07875 A
Poniżej tego prądu przetwornica przechodzi do pracy z prądem nieciągłym, a Vo rośnie powyżej D·Vin.
3.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Tstall = 165 N·m
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.
Prąd utyku
Ia = V/Ra = 110/0,4 = 275 A
Moment utyku
Tstall = 0,6·275 = 165 N·m
Odpowiedź
Tstall = 165 N·m
4.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: n2 = 1514 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 − 25·1 = 195 V
E2 = 220 − 15·1 = 205 V
Nowa prędkość
n2 = 1440·205/195 = 1514 rpm
Odpowiedź
n2 = 1514 rpm
5.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: cos φ = 0,816
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 = 17·tan(arccos 0,6) = 22,67 kvar
Q2 = −8·tan(arccos 0,85) = −4,958 kvar
Sumy
P = 17 + 8 = 25 kW
Q = 22,67 + (−4,958) = 17,71 kvar
S = √(25² + 17,71²) = 30,64 kVA
Wypadkowy współczynnik mocy
cos φ = P/S = 25/30,64 = 0,816 indukcyjny
Odpowiedź
cos φ = 0,816
6.Moc AC i współczynnik mocy
Odpowiedź: Inew = 108,7 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 = P·tan φ1 = 40·tan(36,87°) = 30 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 12,96 kvar
Nowy prąd linii
Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(400·0,92) = 108,7 A
Odpowiedź
Inew = 108,7 A
7.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: IL = 28,1 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 = 18,5/0,88 = 21,02 kW
Prąd linii
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·480·0,9) = 28,1 A
Odpowiedź
IL = 28,1 A
8.Moc w układach trójfazowych
Odpowiedź: Cph = 359,6 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar
Moc bierna z kondensatorów
QC = Q1 − Q2 = 161,4 kvar
Pojemność na fazę
W baterii połączonej w trójkąt każdy kondensator jest włączony między dwa przewody fazowe.