Силова електроніка та приводи: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

DC-DC перетворювачі

Знижувальний
Vo = D·Vin
Підвищувальний
Vo = Vin/(1 − D)
Інвертувальний знижувально-підвищувальний
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Ідеальний баланс потужностей
VinIin = VoIo
Пульсації струму котушки
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Середній струм котушки
знижувальний Io; підвищувальний і знижувально-підвищувальний Io/(1 − D)
Пульсації виходу
знижувальний ΔIL/(8fC); підвищувальний і знижувально-підвищувальний Io·D/(fC)
Межа режиму безперервних струмів
знижувальний (1 − D)R/(2f); підвищувальний D(1 − D)²R/(2f); знижувально-підвищувальний (1 − D)²R/(2f)

Метод

  1. Визначте перетворювач (знижувальний, підвищувальний чи знижувально-підвищувальний) і коефіцієнт заповнення D за відношенням напруг.
  2. Скористайтеся балансом вольт-секунд на котушці: середня напруга на котушці за період дорівнює нулю.
  3. Знайдіть напругу на котушці, поки ключ увімкнений, а потім ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Для пульсацій виходу знайдіть заряд, що входить у конденсатор і виходить із нього; для межі режиму безперервних струмів прирівняйте середній струм котушки до ΔIL/2.

Двигуни постійного струму

Коло якоря
V = E + IaRa
Зворотна ЕРС і момент
E = k·ω, T = k·Ia
Швидкість
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Швидкість неробочого ходу й стопорний момент
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Потужності
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулювання швидкості
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальна розвинена потужність
Pmax = V²/(4Ra)
Привід із чопером
Va = D·Vdc

Метод

  1. Накресліть коло якоря: джерело V, опір Ra і зворотна ЕРС E послідовно.
  2. Скористайтеся V = E + Ia·Ra, щоб зв’язати напругу, струм і зворотну ЕРС.
  3. Використовуйте E = k·ω для швидкості й T = k·Ia для моменту, де ω = 2π·n/60.
  4. Для потужності та ККД почніть із V·Ia, відніміть втрати в міді Ia²·Ra, а потім втрати на обертання.

Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Активна потужність
P = V·I·cos φ
Реактивна потужність
Q = V·I·sin φ
Повна потужність
S = V·I = √(P² + Q²)
Коефіцієнт потужності
pf = cos φ = P/S
Компенсувальний конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трифазні системи

З’єднання зіркою (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
З’єднання трикутником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Сумарна активна потужність
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Повна й реактивна потужність
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсувальні конденсатори
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напруга на кожному конденсаторі
Δ: VL Y: VL/√3
Вхідна потужність двигуна
Pin = Pout/η

2Задачі для практики

1.DC-DC перетворювачіСередня
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 24 V на 12 V на частоті 100 kHz при L = 100 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 100 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.DC-DC перетворювачіСкладна
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Знижувальний перетворювач перетворює 12 V на 4,8 V для навантаження 25 Ω на частоті 100 kHz при L = 150 µH і C = 470 µF. Знайдіть розмах пульсацій вихідної напруги ΔVo у mV.

Vin​ = 12 VVo​ = 4,8 Vf = 100 kHzL = 150 µHC = 470 µF
ΔVo = mV
3.Двигуни постійного струмуСередня
T (N·m)n (rpm)1,2 N·mn0​n = ?

Двигун постійного струму (k = 0,1 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) працює від 24 V і приводить навантаження з моментом 1,2 N·m. Знайдіть його швидкість n у rpm.

V = 24 Vk = 0,1 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 1,2 N·m
n = rpm
4.Двигуни постійного струмуСкладна
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 300 rpmT = 3 N·m

Двигун постійного струму (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) на сталій напрузі 120 V приводить навантаження 3 N·m. Знайдіть послідовний опір Rs, який зменшує його швидкість до 300 rpm.

V = 120 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 3 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
240 VZ6 + j8 ΩI

Навантаження з повним опором Z = 6 + j8 Ω під’єднано до однофазної мережі 240 V (діюче значення). Знайдіть активну потужність P, яку воно споживає.

V = 240 VZ = 6 + j8 Ω
P = W
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
24 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Джерело 24 V (діюче значення), 1000 Hz має внутрішній опір Zs = 4 + j15 Ω. Опір навантаження ZL можна вибирати довільно. Знайдіть максимальну активну потужність Pmax, яку можна передати навантаженню.

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j15 Ω
Pmax = W
7.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 95%cos φ = 0,84

Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 18,5 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 95%, а коефіцієнт потужності 0,84, відстаючий. Лінійна напруга мережі 480 V. Знайдіть лінійний струм IL.

Pout = 18,5 kWη = 95%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
8.Трифазні системиСкладна
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 100 kW при коефіцієнті потужності 0,7 (відстаючому) від мережі 400 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Розчини

1.DC-DC перетворювачі

Відповідь: ΔIL = 0,6 A

DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.

Коефіцієнт заповнення

D = 12/24 = 0,5

Напруга на котушці під час увімкненого стану

Поки S увімкнений, котушка опиняється між Vin і Vo.

VL = 24 − 12 = 12 V

Струм пульсацій

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(100·10⁻⁶·100·10³) = 0,6 A

Відповідь

ΔIL = 0,6 A
2.DC-DC перетворювачі

Відповідь: ΔVo = 0,5106 mV

DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.

Коефіцієнт заповнення

D = 4,8/12 = 0,4

Струм пульсацій котушки

ΔIL = (12 − 4,8)·0,4/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,192 A

Пульсації виходу

ΔVo = 0,192/(8·100·10³·470·10⁻⁶) = 0,5106 mV

Відповідь

ΔVo = 0,5106 mV
3.Двигуни постійного струму

Відповідь: n = 2005 rpm

Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.

Струм якоря

Ia = T/k = 1,2/0,1 = 12 A

Зворотна ЕРС і швидкість

E = 24 − 12·0,25 = 21 V
ω = E/k = 210 rad/s → n = 2005 rpm

Відповідь

n = 2005 rpm
4.Двигуни постійного струму

Відповідь: Rs = 16,58 Ω

Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.

Струм і зворотна ЕРС

Ia = 3/0,5 = 6 A
E = 0,5·31,42 = 15,71 V

Послідовний опір

Ra + Rs = (120 − 15,71)/6 = 17,38 Ω
Rs = 16,58 Ω

Відповідь

Rs = 16,58 Ω

Резистор розсіює 597 W; чопер керує швидкістю з набагато меншими втратами.

5.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: P = 3456 W

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Струм

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A

Активна потужність

P = I²·R = 24²·6 = 3456 W

Відповідь

P = 3456 W
6.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: Pmax = 36 W

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Спряжене узгодження

Реактивний опір навантаження компенсує реактивний опір джерела, а активний опір навантаження дорівнює активному опору джерела.

ZL = Zs* = 4 − j15 Ω

Максимальна потужність

I = Vs/(2Rs) = 24/8 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·4) = 36 W

Відповідь

Pmax = 36 W
7.Трифазні системи

Відповідь: IL = 27,88 A

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Електрична вхідна потужність

Pin = Pout/η = 18,5/0,95 = 19,47 kW

Струм лінії

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19474/(√3·480·0,84) = 27,88 A

Відповідь

IL = 27,88 A
8.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 1626 µF

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсація реактивної потужності: конденсатори постачають реактивну потужність на місці, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Кожен із трьох конденсаторів дає QC/3 = V²·ω·C, де V — напруга на цьому конденсаторі: VL у батареї, з’єднаній трикутником, VL/√3 — у батареї, з’єднаній зіркою.

Реактивна потужність до і після

Активна потужність не змінюється, тож кожен коефіцієнт потужності визначає реактивну потужність: 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

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 81,71 kvar

Ємність на фазу

У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27238/(314,2·230,9²) = 1626 µF

Відповідь

Cph = 1626 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics