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
+−36 VLSCR = 12 Ω+−72 V

Một bộ boost lý tưởng biến 36 V thành 72 V cho tải 12 Ω. Tìm dòng cuộn cảm trung bình IL.

Vin​ = 36 VVo​ = 72 VR = 12 Ω
IL = A
2.Bộ biến đổi DC-DCKhó
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Một bộ buck biến 9 V thành 3,6 V cho tải 5 Ω ở 500 kHz, với L = 33 µH và C = 10 µF. Tìm độ gợn điện áp ra đỉnh–đỉnh ΔVo theo mV.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 500 kHzL = 33 µHC = 10 µF
ΔVo = mV
3.Động cơ một chiềuTrung bình
+−VRa​M+−En = 960 rpmT = ?

Một động cơ một chiều cung cấp 4 kW công suất cơ ở 960 rpm. Tìm mômen trên trục T.

P = 4 kWn = 960 rpm
T = N·m
4.Động cơ một chiềuKhó
+−240 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 1200 rpmT = 30 N·m

Một bộ băm xung một chiều cấp cho một động cơ (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) từ thanh cái một chiều 240 V. Điện áp phần ứng trung bình là D·240 V. Tìm chu kỳ làm việc D để động cơ chạy ở 1200 rpm với tải 30 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1 ΩT = 30 N·mn = 1200 rpm
D = %
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
120 VR + jXP = 660 W11 A

Một tải cảm kháng lấy 11 A và 660 W từ nguồn một pha 120 V (hiệu dụng). Mô hình hóa nó như một điện trở R nối tiếp với một điện kháng X. Tìm X.

V = 120 VI = 11 AP = 660 W
X = Ω
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
12 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Một nguồn 12 V (hiệu dụng), 1000 Hz có trở kháng trong Zs = 4 + j20 Ω. Trở kháng tải ZL có thể được chọn tự do. Tải cho công suất cực đại được tạo từ một điện trở nối tiếp với một tụ điện. Tìm điện dung C.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j20 Ω
C = µF
7.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 208 VIL​ = 120 Acos φ = 0,88trễ pha

Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 120 A từ nguồn có điện áp dây 208 V. Hệ số công suất là 0,88 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.

VL = 208 VIL = 120 Acos φ = 0,88
P = kW
8.Công suất ba phaKhó
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Một tải ba pha cân bằng lấy 250 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 690 V (điện áp dây), 60 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,95 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Dung dịch

1.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: IL = 12 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 = 1 − 36/72 = 0,5

Dòng điện qua tải

Io = 72/12 = 6 A

Dòng cuộn cảm

IL = Io/(1 − D) = 6/0,5 = 12 A

Đáp số

IL = 12 A
2.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: ΔVo = 3,273 mV

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 = 3,6/9 = 0,4

Dòng gợn cuộn cảm

ΔIL = (9 − 3,6)·0,4/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,1309 A

Độ gợn đầu ra

ΔVo = 0,1309/(8·500·10³·10·10⁻⁶) = 3,273 mV

Đáp số

ΔVo = 3,273 mV
3.Động cơ một chiều

Đáp số: T = 39,79 N·m

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.

Tốc độ theo rad/s

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s

Mômen xoắn

T = P/ω = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Đáp số

T = 39,79 N·m
4.Động cơ một chiều

Đáp số: D = 73,25 %

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 = 1,2·125,7 + 25·1 = 175,8 V

Chu kỳ làm việc

D = 175,8/240 = 73,25 %

Đáp số

D = 73,25 %
5.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: X = 9,448 Ω

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.

Điện trở từ công suất thực

R = P/I² = 660/11² = 5,455 Ω

Điện kháng từ trở kháng

|Z| = V/I = 120/11 = 10,91 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(10,91² − 5,455²) = 9,448 Ω

Đáp số

X = 9,448 Ω
6.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: C = 7,958 µF

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.

Phối hợp liên hợp

Điện kháng của tải triệt tiêu điện kháng của nguồn, và điện trở tải bằng điện trở nguồn.

ZL = Zs* = 4 − j20 Ω

Điện dung

XC = 20 Ω → C = 1/(2π·1000·20) = 7,958 µF

Đáp số

C = 7,958 µF
7.Công suất ba pha

Đáp số: P = 38,04 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 = √3·208·120 = 43,23 kVA

Công suất tác dụng

P = S·cos φ = 43,23·0,88 = 38,04 kW

Đáp số

P = 38,04 kW
8.Công suất ba pha

Đáp số: QC = 105,3 kvar

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 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 105,3 kvar

Đáp số

QC = 105,3 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics