电力电子与驱动:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

DC-DC 变换器

降压
Vo = D·Vin
升压
Vo = Vin/(1 − D)
反相升降压
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
理想功率平衡
VinIin = VoIo
电感纹波
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
电感平均电流
降压 Io;升压和升降压 Io/(1 − D)
输出纹波
降压 ΔIL/(8fC);升压和升降压 Io·D/(fC)
CCM 边界
降压 (1 − D)R/(2f);升压 D(1 − D)²R/(2f);升降压 (1 − D)²R/(2f)

方法

  1. 判断变换器的类型(降压、升压或升降压),并由电压比求出占空比 D。
  2. 对电感用伏秒平衡:电感电压在一个周期内的平均值为零。
  3. 求开关导通时的电感电压,再求 ΔIL = VL·D/(L·f)。
  4. 求输出纹波时,找出流入和流出电容的电荷;求 CCM 边界时,令电感平均电流等于 ΔIL/2。

直流电机

电枢回路
V = E + IaRa
反电动势与转矩
E = k·ω, T = k·Ia
速率
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
空载转速与堵转转矩
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
各功率
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
起动
Istart = V/(Ra + Rst)
转速调整率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大电磁功率
Pmax = V²/(4Ra)
斩波驱动
Va = D·Vdc

方法

  1. 画出电枢回路:电源 V、电阻 Ra 和反电动势 E 串联。
  2. 用 V = E + Ia·Ra 把电压、电流和反电动势联系起来。
  3. 转速用 E = k·ω,转矩用 T = k·Ia,其中 ω = 2π·n/60。
  4. 对于功率和效率,从 V·Ia 出发,减去铜损 Ia²·Ra,再减去旋转损耗。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

2练习题

1.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

某理想 升压 变换器在 100 kHz、L = 22 µH 下把 15 V 变成 30 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 15 VVo​ = 30 Vf = 100 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​IL​DTT2T

某理想 降压 变换器在 200 kHz 下把 12 V 变成 9 V,负载为 20 Ω。求连续导通所需的最小电感 Lcrit。

Vin​ = 12 VVo​ = 9 Vf = 200 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 1.5 N·m/A,Ra = 0.2 Ω,接到 120 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 120 Vk = 1.5 N·m/ARa = 0.2 Ω
Tstall = N·m
4.直流电机困难
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 2 Ω10 AM+−E = 0n = 0T

某 220 V 直流电机的电枢电阻为 2 Ω。求把起动电流限制在 10 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 220 VRa = 2 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 1771 W11 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 11 A 和 1771 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 11 AP = 1771 W
X = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 28 kWQ1​S1​φ

一台 100 kVA 的单相变压器为一个 28 kW、功率因数为 0.7(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 100 kVAP1 = 28 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.三相电中等
ABCVL​ = 400 VIL​ = 80 Acos φ = 0.75滞后

一个对称三相负载从线电压为 400 V 的电源取用 80 A 的线电流,功率因数为 0.75(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 400 VIL = 80 Acos φ = 0.75
P = kW
8.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.72(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 300 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 3.409 A

DC-DC 变换器:开关 S 在每个周期 T = 1/f 中有 D 的比例处于导通。稳态时电感的平均电压为零(伏秒平衡),由此得到连续导通模式下的理想变换比:降压(buck)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 1 − 15/30 = 0.5

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 15 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0.5/(22·10⁻⁶·100·10³) = 3.409 A

答案

ΔIL = 3.409 A
2.DC-DC 变换器

答案: Lcrit = 12.5 µH

DC-DC 变换器:开关 S 在每个周期 T = 1/f 中有 D 的比例处于导通。稳态时电感的平均电压为零(伏秒平衡),由此得到连续导通模式下的理想变换比:降压(buck)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 9/12 = 0.75

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半,解出 L。

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

临界电感

Lcrit = (1 − 0.75)·20/(2200·10³) = 12.5 µH

答案

Lcrit = 12.5 µH
3.直流电机

答案: Tstall = 900 N·m

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

堵转电流

Ia = V/Ra = 120/0.2 = 600 A

堵转转矩

Tstall = 1.5·600 = 900 N·m

答案

Tstall = 900 N·m
4.直流电机

答案: Rst = 20 Ω

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

总电阻

Ra + Rst = 220/10 = 22 Ω

起动电阻

Rst = 22 − 2 = 20 Ω

答案

Rst = 20 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

5.交流功率和功率因数

答案: X = 14.93 Ω

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 1771/11² = 14.64 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/11 = 20.91 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(20.91² − 14.64²) = 14.93 Ω

答案

X = 14.93 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 67.83 kW

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

现有负载的无功功率

Q1 = 28·tan(arccos 0.7) = 28.57 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 28.57²) = 95.83 kW

增加的有功功率

ΔP = 95.83 − 28 = 67.83 kW

答案

ΔP = 67.83 kW
7.三相电

答案: P = 41.57 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·400·80 = 55.43 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 55.43·0.75 = 41.57 kW

答案

P = 41.57 kW
8.三相电

答案: Cph = 954 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 300·tan(acos 0.72) = 300·0.9639 = 289.2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.9) = 300·0.4843 = 145.3 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 143.9 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 47953/(314.2·400²) = 954 µF

答案

Cph = 954 µF

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