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
+−12 VLSCR = 2,5 Ω+−30 V

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 12 V в 30 V при нагрузке 2,5 Ω. Найдите средний ток катушки IL.

Vin​ = 12 VVo​ = 30 VR = 2,5 Ω
IL = A
2.Преобразователи постоянного напряженияСложная
+−15 VLSC = 10 µFR = 50 Ω+−37,5 V

Идеальный повышающий преобразователь преобразует 15 V в 37,5 V при нагрузке 50 Ω и частоте 500 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 10 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.

Vin​ = 15 VVo​ = 37,5 Vf = 500 kHzC = 10 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Двигатели постоянного токаСредняя
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

Двигатель постоянного тока отдаёт механическую мощность 4 kW при 1450 rpm. Найдите момент на валу T.

P = 4 kWn = 1450 rpm
T = N·m
4.Двигатели постоянного токаСложная
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 500 rpmT = 4,5 N·m

Двигатель постоянного тока (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) при фиксированном питании 120 V приводит нагрузку 4,5 N·m. Найдите последовательное сопротивление Rs, замедляющее его до 500 rpm.

V = 120 Vk = 0,3 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 4,5 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 V124 kW, 0,85227 kW, 1I

К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 24 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) и нагреватель мощностью 27 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 230 VP1 = 24 kW, pf1 = 0,85 отстающийP2 = 27 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
240 V50 Hzнагрузка30 kW, 0,75C150 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 30 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 150 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 30 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
7.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VIL​ = 20 Acos φ = 0,7отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 20 A от сети с линейным напряжением 208 V. Коэффициент мощности 0,7 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 208 VIL = 20 Acos φ = 0,7
P = kW
8.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Растворы

1.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: IL = 30 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 = 1 − 12/30 = 0,6

Ток нагрузки

Io = 30/2,5 = 12 A

Ток катушки

IL = Io/(1 − D) = 12/0,4 = 30 A

Ответ

IL = 30 A
2.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: ΔVo = 90 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 − 15/37,5 = 0,6

Ток нагрузки

Io = 37,5/50 = 0,75 A

Пульсации выходного напряжения

ΔVo = 0,75·0,6/(500·10³·10·10⁻⁶) = 90 mV

Ответ

ΔVo = 90 mV
3.Двигатели постоянного тока

Ответ: T = 26,34 N·m

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.

Скорость в rad/s

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s

Крутящий момент

T = P/ω = 4000/151,8 = 26,34 N·m

Ответ

T = 26,34 N·m
4.Двигатели постоянного тока

Ответ: Rs = 6,703 Ω

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 и противо-ЭДС

Ia = 4,5/0,3 = 15 A
E = 0,3·52,36 = 15,71 V

Последовательное сопротивление

Ra + Rs = (120 − 15,71)/15 = 6,953 Ω
Rs = 6,703 Ω

Ответ

Rs = 6,703 Ω

Резистор рассеивает 1508 W; прерыватель регулирует скорость с гораздо меньшими потерями.

5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,96

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.

Реактивная мощность каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 24·tan(arccos 0,85) = 14,87 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Суммы

P = 24 + 27 = 51 kW
Q = 14,87 + 0 = 14,87 kvar
S = √(51² + 14,87²) = 53,12 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 51/53,12 = 0,96 отстающий

Ответ

cos φ = 0,96
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,7841

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.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = 30·tan(arccos 0,75) = 26,46 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 26,46 − 2,714 = 23,74 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(30² + 23,74²) = 38,26 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 30/38,26 = 0,7841

Ответ

cos φ = 0,7841
7.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 5,044 kW

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.

Полная мощность

S = √3·VL·IL = √3·208·20 = 7,205 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 7,205·0,7 = 5,044 kW

Ответ

P = 5,044 kW
8.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 374,6 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 168,1 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 56030/(314,2·690²) = 374,6 µF

Ответ

Cph = 374,6 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics