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 16,8 V при нагрузке 10 Ω. Он переключается с частотой 50 kHz при L = 68 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.

Vin​ = 24 VVo​ = 16,8 Vf = 50 kHzL = 68 µHR = 10 Ω
Imax = A
2.Преобразователи постоянного напряженияСложная
tiL​Imax​IL​DTT2T

Идеальный инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь преобразует 12 V в −36 V при нагрузке 20 Ω и частоте 100 kHz. Найдите наименьшую индуктивность Lcrit для режима непрерывного тока.

Vin​ = 12 VVo​ = −36 Vf = 100 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
3.Двигатели постоянного токаСредняя
T (N·m)n (rpm)18 N·mn0​n = ?

Двигатель постоянного тока (k = 1,5 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) работает от 120 V и приводит нагрузку с моментом 18 N·m. Найдите его скорость n в rpm.

V = 120 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 18 N·m
n = rpm
4.Двигатели постоянного токаСложная
+−48 VRa​ = 0,8 ΩIa​: 6 → 3,6 AM+−En = ?T

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения на 48 V (Ra = 0,8 Ω) вращается со скоростью 1200 rpm при токе якоря 6 A. Нагрузка изменяется, и ток становится равным 3,6 A при неизменном поле. Найдите новую скорость n2.

V = 48 VRa = 0,8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 6 AIa2 = 3,6 A
n2 = rpm
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 V114 kW, 0,7229 kW, 0,8I

К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 14 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 29 kW при коэффициенте мощности 0,8 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 240 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,7 отстающийP2 = 29 kW, pf2 = 0,8 опережающий
cos φ =
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 20 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 55 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 480 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
8.Трёхфазная мощностьСложная
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Растворы

1.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: Imax = 2,421 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 = 16,8/24 = 0,7

Средний ток и пульсации тока

Io = 16,8/10 = 1,68 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,7/(68·10⁻⁶·50·10³) = 1,482 A

Пиковый ток

Imax = 1,68 + 1,482/2 = 2,421 A

Ответ

Imax = 2,421 A
2.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: Lcrit = 6,25 µH

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 = 36/(12 + 36) = 0,75

Граничное условие

Приравняйте средний ток катушки к половине пульсаций тока и решите относительно L.

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Критическая индуктивность

Lcrit = (1 − 0,75)²·20/(2100·10³) = 6,25 µH

Ответ

Lcrit = 6,25 µH
3.Двигатели постоянного тока

Ответ: n = 672,3 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 = 18/1,5 = 12 A

Противо-ЭДС и скорость

E = 120 − 12·1,2 = 105,6 V
ω = E/k = 70,4 rad/s → n = 672,3 rpm

Ответ

n = 672,3 rpm
4.Двигатели постоянного тока

Ответ: n2 = 1253 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.

Противо-ЭДС до и после

E1 = 48 − 6·0,8 = 43,2 V
E2 = 48 − 3,6·0,8 = 45,12 V

Новая скорость

n2 = 1200·45,12/43,2 = 1253 rpm

Ответ

n2 = 1253 rpm
5.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9853

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 = 14·tan(arccos 0,7) = 14,28 kvar
Q2 = −29·tan(arccos 0,8) = −21,75 kvar

Суммы

P = 14 + 29 = 43 kW
Q = 14,28 + (−21,75) = −7,467 kvar
S = √(43² + (−7,467)²) = 43,64 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 43/43,64 = 0,9853 опережающий

Ответ

cos φ = 0,9853
6.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 680,8 µF

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 = P·tan φ1 = 20·tan(41,41°) = 17,64 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11,48°) = 4,061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,58 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 13577/(2π·60·230²) = 680,8 µF

Ответ

C = 680,8 µF
7.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 79,9 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 = 55/0,92 = 59,78 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·480·0,9) = 79,9 A

Ответ

IL = 79,9 A
8.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 81,71 kvar

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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 81,71 kvar

Ответ

QC = 81,71 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics