Силовая электроника и электроприводы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Преобразователи постоянного напряжения

Понижающий
Vo = D·Vin
Повышающий
Vo = Vin/(1 − D)
Инвертирующий понижающе-повышающий
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Идеальный баланс мощности
VinIin = VoIo
Пульсации тока катушки
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Средний ток катушки
понижающий Io; повышающий и понижающе-повышающий Io/(1 − D)
Пульсации выходного напряжения
понижающий ΔIL/(8fC); повышающий и понижающе-повышающий Io·D/(fC)
Граница режима непрерывного тока
понижающий (1 − D)R/(2f); повышающий D(1 − D)²R/(2f); понижающе-повышающий (1 − D)²R/(2f)

Метод

  1. Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
  2. Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
  3. Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Для пульсаций выхода найдите заряд, входящий в конденсатор и выходящий из него; для границы режима непрерывного тока приравняйте средний ток катушки к ΔIL/2.

Двигатели постоянного тока

Цепь якоря
V = E + IaRa
Противо-ЭДС и момент
E = k·ω, T = k·Ia
Скорость
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Скорость холостого хода и момент при заторможенном роторе
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Мощности
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулирование скорости
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальная развиваемая мощность
Pmax = V²/(4Ra)
Привод с прерывателем
Va = D·Vdc

Метод

  1. Нарисуйте цепь якоря: источник V, сопротивление Ra и противо-ЭДС E включены последовательно.
  2. Используйте V = E + Ia·Ra, чтобы связать напряжение, ток и противо-ЭДС.
  3. Используйте E = k·ω для скорости и T = k·Ia для момента, где ω = 2π·n/60.
  4. Для мощности и КПД начните с V·Ia, вычтите потери в меди Ia²·Ra, а затем потери на вращение.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

2Тренировочные задачи

1.Преобразователи постоянного напряженияСредняя
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Понижающий преобразователь преобразует 24 V в 12 V при нагрузке 12 Ω. Он переключается с частотой 200 kHz при L = 330 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 200 kHzL = 330 µHR = 12 Ω
Imax = A
2.Преобразователи постоянного напряженияСложная
+−15 VLSC = 22 µFR = 20 Ω+−20 V

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 15 V в 20 V при нагрузке 20 Ω и частоте 100 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 22 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.

Vin​ = 15 VVo​ = 20 Vf = 100 kHzC = 22 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.Двигатели постоянного токаСредняя
T (N·m)n (rpm)4,8 N·mn0​n = ?

Двигатель постоянного тока (k = 0,8 N·m/A, Ra = 2 Ω) работает от 120 V и приводит нагрузку с моментом 4,8 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 120 Vk = 0,8 N·m/ARa = 2 ΩT = 4,8 N·m
n = rpm
4.Двигатели постоянного токаСложная
+−240 VRa​ = 0,4 ΩM+−En = ?T = 15 N·m

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (k = 0,6 V·s/rad при полном поле, Ra = 0,4 Ω, V = 240 V) приводит нагрузку с постоянным моментом 15 N·m. Поток возбуждения уменьшают до 85 % от полного значения. Найдите новую скорость n.

V = 240 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 15 N·mΦ = 85 %
n = rpm
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 33 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 33 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.

P = 33 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
10 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Источник 10 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 25 + j20 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.

Vs = 10 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j20 Ω
Pmax = W
7.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 90%cos φ = 0,88

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 7,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 90%, а коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 7,5 kWη = 90%cos φ = 0,88VL = 690 V
IL = A
8.Трёхфазная мощностьСложная
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 120 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Растворы

1.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: Imax = 1,045 A

Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.

Коэффициент заполнения

D = 12/24 = 0,5

Средний ток и пульсации тока

Io = 12/12 = 1 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(330·10⁻⁶·200·10³) = 0,09091 A

Пиковый ток

Imax = 1 + 0,09091/2 = 1,045 A

Ответ

Imax = 1,045 A
2.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: ΔVo = 113,6 mV

Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.

Коэффициент заполнения

D = 1 − 15/20 = 0,25

Ток нагрузки

Io = 20/20 = 1 A

Пульсации выходного напряжения

ΔVo = 1·0,25/(100·10³·22·10⁻⁶) = 113,6 mV

Ответ

ΔVo = 113,6 mV
3.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 1289 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Ток якоря

Ia = T/k = 4,8/0,8 = 6 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 120 − 6·2 = 108 V
ω = E/k = 135 rad/s → n = 1289 rpm

Ответ

n = 1289 rpm
4.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 4274 rpm

Двигатель постоянного тока: якорь — это сопротивление Ra, последовательно с которым включена противо-ЭДС E, поэтому V = E + Ia·Ra. Противо-ЭДС растёт со скоростью, E = k·ω, а момент — с током, T = k·Ia, с одной и той же постоянной двигателя k (V·s/rad = N·m/A) в единицах СИ. Скорости переводите по формуле ω = 2π·n/60. Развиваемая мощность равна E·Ia = T·ω; входная мощность равна V·Ia, а разницу составляют потери в меди Ia²Ra и потери на вращение. Скорость линейно падает с моментом, ω = V/k − Ra·T/k², от скорости холостого хода V/k до нуля при моменте при заторможенном роторе k·V/Ra. В неподвижном состоянии E = 0, поэтому пусковой ток V/Ra велик, если его не ограничивает резистор.

Ослабленная постоянная двигателя

k₂ = 0,85·0,6 = 0,51 V·s/rad

Новый ток якоря

Ia = 15/0,51 = 29,41 A

Новая скорость

ω = (240 − 29,41·0,4)/0,51 = 447,5 rad/s → n = 4274 rpm

Ответ

n = 4274 rpm

Ослабление поля — способ, которым привод постоянного тока работает выше основной скорости.

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 152,8 A

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Ток линии

Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.

I = P/(V·cos φ) = 33000/(240·0,9) = 152,8 A

Ответ

I = 152,8 A
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Pmax = 1 W

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

ZL = Zs* = 25 − j20 Ω

Наибольшая мощность

I = Vs/(2Rs) = 10/50 = 0,2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·25) = 1 W

Ответ

Pmax = 1 W
7.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 7,924 A

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Потребляемая электрическая мощность

Pin = Pout/η = 7,5/0,9 = 8,333 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8333/(√3·690·0,88) = 7,924 A

Ответ

IL = 7,924 A
8.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 450,2 µF

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 81,46 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27154/(377·400²) = 450,2 µF

Ответ

Cph = 450,2 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics