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 500 kHz、L = 10 µH 下把 12 V 变成 48 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 12 VVo​ = 48 Vf = 500 kHzL = 10 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​Io​DTT2T

某降压变换器在 500 kHz、L = 33 µH 下把 48 V 变成 14.4 V。求使其保持连续导通的最小负载电流 Io,min。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 500 kHzL = 33 µH
Io,min = A
3.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

某直流电机在 1200 rpm 下输出 1 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 1 kWn = 1200 rpm
T = N·m
4.直流电机困难
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 500 rpmT = 4.8 N·m

某直流电机(k = 0.6 V·s/rad,Ra = 0.2 Ω)接在固定的 48 V 电源上,带动 4.8 N·m 的负载。求把转速降到 500 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 48 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 4.8 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
5.交流功率和功率因数中等
230 V127 kW, 0.6524 kW, 1I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 27 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载,以及一台 4 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 27 kW, pf1 = 0.65 滞后P2 = 4 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
240 V60 Hz负载3 kW, 0.6C47 µFI = ?

一个单相负载从 240 V、60 Hz 的电源吸取 3 kW,功率因数为 0.6(滞后)。一个 47 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 3 kWpf1 = 0.6V = 240 Vf = 60 HzC = 47 µF
I = A
7.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M30 kW, η = 94%cos φ = 0.84

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.84(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 94%cos φ = 0.84VL = 415 V
IL = A
8.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 0.7pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 1.8 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 − 12/48 = 0.75

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 12 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.75/(10·10⁻⁶·500·10³) = 1.8 A

答案

ΔIL = 1.8 A
2.DC-DC 变换器

答案: Io,min = 0.3055 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 = 14.4/48 = 0.3

纹波电流

ΔIL = 14.4·0.7/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0.6109 A

边界负载电流

Io,min = ΔIL/2 = 0.3055 A

答案

Io,min = 0.3055 A

低于这个电流时,变换器进入断续导通模式,Vo 会升高到 D·Vin 以上。

3.直流电机

答案: T = 7.958 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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1200/60 = 125.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 1000/125.7 = 7.958 N·m

答案

T = 7.958 N·m
4.直流电机

答案: Rs = 1.873 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。

电流与反电动势

Ia = 4.8/0.6 = 8 A
E = 0.6·52.36 = 31.42 V

串联电阻

Ra + Rs = (48 − 31.42)/8 = 2.073 Ω
Rs = 1.873 Ω

答案

Rs = 1.873 Ω

该电阻消耗 119.9 W;斩波器调速的损耗要小得多。

5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7007

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 27·tan(arccos 0.65) = 31.57 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 27 + 4 = 31 kW
Q = 31.57 + 0 = 31.57 kvar
S = √(31² + 31.57²) = 44.24 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 31/44.24 = 0.7007 滞后

答案

cos φ = 0.7007
6.交流功率和功率因数

答案: I = 17.62 A

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。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = 3·tan(arccos 0.6) = 4 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·47·10⁻⁶ = 1021 var = 1.021 kvar
Q2 = 4 − 1.021 = 2.979 kvar

新的视在功率

S2 = √(3² + 2.979²) = 4.228 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 4228/240 = 17.62 A

答案

I = 17.62 A
7.三相电

答案: IL = 52.86 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 30/0.94 = 31.91 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 31915/(√3·415·0.84) = 52.86 A

答案

IL = 52.86 A
8.三相电

答案: Cph = 1278 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 0.7) = 300·1.02 = 306.1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 207.5 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 = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 69152/(314.2·415²) = 1278 µF

答案

Cph = 1278 µF

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