Điện tử công suất và truyền động: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Bộ biến đổi DC-DC

Buck
Vo = D·Vin
Boost
Vo = Vin/(1 − D)
Buck-boost đảo
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Cân bằng công suất lý tưởng
VinIin = VoIo
Độ gợn cuộn cảm
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Dòng cuộn cảm trung bình
buck Io; boost và buck-boost Io/(1 − D)
Độ gợn đầu ra
buck ΔIL/(8fC); boost và buck-boost Io·D/(fC)
Ranh giới CCM
buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Phương pháp

  1. Xác định bộ biến đổi (buck, boost hay buck-boost) và chu kỳ làm việc D từ tỷ số điện áp.
  2. Dùng cân bằng volt-giây trên cuộn cảm: điện áp cuộn cảm trung bình trong một chu kỳ bằng không.
  3. Tìm điện áp cuộn cảm khi khóa đóng, rồi ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Với độ gợn đầu ra, tìm điện tích chảy vào và ra khỏi tụ điện; với ranh giới CCM, đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.

Động cơ một chiều

Mạch phần ứng
V = E + IaRa
Sức điện động ngược và mômen
E = k·ω, T = k·Ia
Tốc độ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tốc độ không tải và mômen hãm
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Các công suất
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Khởi động
Istart = V/(Ra + Rst)
Độ điều chỉnh tốc độ
SR = (n0 − nFL)/nFL
Công suất phát triển cực đại
Pmax = V²/(4Ra)
Truyền động bằng bộ băm xung
Va = D·Vdc

Phương pháp

  1. Vẽ mạch phần ứng: nguồn V, điện trở Ra và sức điện động ngược E mắc nối tiếp.
  2. Dùng V = E + Ia·Ra để liên hệ điện áp, dòng điện và sức điện động ngược.
  3. Dùng E = k·ω cho tốc độ và T = k·Ia cho mômen, với ω = 2π·n/60.
  4. Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·Ia, trừ tổn thất đồng Ia²·Ra rồi đến các tổn thất quay.

Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Công suất tác dụng
P = V·I·cos φ
Công suất phản kháng
Q = V·I·sin φ
Công suất biểu kiến
S = V·I = √(P² + Q²)
Hệ số công suất
pf = cos φ = P/S
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Công suất ba pha

Nối sao (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Nối tam giác (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Tổng công suất tác dụng
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Công suất biểu kiến và phản kháng
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Điện áp trên mỗi tụ điện
Δ: VL Y: VL/√3
Công suất vào của động cơ
Pin = Pout/η

2Bài tập

1.Bộ biến đổi DC-DCTrung bình
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Một bộ buck biến 48 V thành 14,4 V cho tải 12 Ω. Nó chuyển mạch ở 250 kHz với L = 220 µH. Tìm dòng đỉnh của cuộn cảm Imax.

Vin​ = 48 VVo​ = 14,4 Vf = 250 kHzL = 220 µHR = 12 Ω
Imax = A
2.Bộ biến đổi DC-DCKhó
tiL​Imax​IL​DTT2T

Một bộ biến đổi buck lý tưởng biến 15 V thành 10,5 V cho tải 12 Ω ở 200 kHz. Tìm điện cảm nhỏ nhất Lcrit để dẫn liên tục.

Vin​ = 15 VVo​ = 10,5 Vf = 200 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
3.Động cơ một chiềuTrung bình
+−110 VRa​ = 0,8 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

Một động cơ một chiều lấy 15 A từ nguồn 110 V. Điện trở phần ứng của nó là 0,8 Ω và các tổn thất quay (ma sát, cản gió và sắt từ) là 44 W. Tìm hiệu suất η của nó.

V = 110 VIa = 15 ARa = 0,8 ΩProt = 44 W
η = %
4.Động cơ một chiềuKhó
+−220 VD = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 1200 rpmT = 15 N·m

Một bộ băm xung một chiều cấp cho một động cơ (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) từ thanh cái một chiều 220 V. Điện áp phần ứng trung bình là D·220 V. Tìm chu kỳ làm việc D để động cơ chạy ở 1200 rpm với tải 15 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 15 N·mn = 1200 rpm
D = %
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
P = 27 kWQ = ?Sφ

Một động cơ một pha tiêu thụ 27 kW với hệ số công suất 0,6 trễ từ nguồn 230 V. Tìm công suất phản kháng Q mà nó tiêu thụ.

P = 27 kWpf = 0,6V = 230 V
Q = kvar
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Một tải một pha tiêu thụ 40 kW với hệ số công suất 0,7 trễ từ nguồn 230 V, 60 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,98. Tìm công suất phản kháng QC mà tụ điện phải cung cấp.

P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 690 VIL​ = 15 Acos φ = 0,85trễ pha

Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 15 A từ nguồn có điện áp dây 690 V. Hệ số công suất là 0,85 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.

VL = 690 VIL = 15 Acos φ = 0,85
P = kW
8.Công suất ba phaKhó
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Một tải ba pha cân bằng lấy 120 kW với hệ số công suất 0,72 trễ từ nguồn 690 V (điện áp dây), 50 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,98 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối tam giác (Δ). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.

P = 120 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Dung dịch

1.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: Imax = 1,292 A

Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.

Chu kỳ làm việc

D = 14,4/48 = 0,3

Dòng trung bình và dòng gợn

Io = 14,4/12 = 1,2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 33,6·0,3/(220·10⁻⁶·250·10³) = 0,1833 A

Dòng đỉnh

Imax = 1,2 + 0,1833/2 = 1,292 A

Đáp số

Imax = 1,292 A
2.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: Lcrit = 9 µH

Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.

Chu kỳ làm việc

D = 10,5/15 = 0,7

Điều kiện ranh giới

Đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng một nửa dòng gợn và giải theo L.

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

Điện cảm tới hạn

Lcrit = (1 − 0,7)·12/(2200·10³) = 9 µH

Đáp số

Lcrit = 9 µH
3.Động cơ một chiều

Đáp số: η = 86,42 %

Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.

Các công suất

Pin = 110·15 = 1650 W
Pdev = 98·15 = 1470 W
Pout = 1470 − 44 = 1426 W

Hiệu suất

η = 1426/1650·100 = 86,42 %

Đáp số

η = 86,42 %
4.Động cơ một chiều

Đáp số: D = 37,11 %

Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.

Điện áp phần ứng yêu cầu

Va = 0,6·125,7 + 25·0,25 = 81,65 V

Chu kỳ làm việc

D = 81,65/220 = 37,11 %

Đáp số

D = 37,11 %
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Q = 36 kvar

Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.

Góc

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Công suất phản kháng

Q = P·tan φ = 27·1,333 = 36 kvar

Đáp số

Q = 36 kvar
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: QC = 32,69 kvar

Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.

Công suất phản kháng trước và sau

Công suất tác dụng P không đổi; chỉ công suất phản kháng lấy từ nguồn thay đổi.

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(11,48°) = 8,122 kvar
QC = Q1 − Q2 = 32,69 kvar

Đáp số

QC = 32,69 kvar
7.Công suất ba pha

Đáp số: P = 15,24 kW

Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Công suất biểu kiến

S = √3·VL·IL = √3·690·15 = 17,93 kVA

Công suất tác dụng

P = S·cos φ = 17,93·0,85 = 15,24 kW

Đáp số

P = 15,24 kW
8.Công suất ba pha

Đáp số: Cph = 203,5 µF

Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Bù hệ số công suất: tụ điện cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Mỗi tụ trong ba tụ cung cấp QC/3 = V²·ω·C, trong đó V là điện áp trên tụ đó: VL trong bộ nối tam giác (Δ), VL/√3 trong bộ nối sao (Y).

Công suất phản kháng trước và sau

Công suất tác dụng không đổi, nên mỗi hệ số công suất xác định công suất phản kháng: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,72) = 120·0,9639 = 115,7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 91,3 kvar

Điện dung mỗi pha

Trong bộ nối tam giác (Δ), mỗi tụ được nối giữa hai dây pha.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 30432/(314,2·690²) = 203,5 µF

Đáp số

Cph = 203,5 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics