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

某理想反相升降压变换器在 200 kHz、L = 150 µH 下把 9 V 变成 −13.5 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 9 VVo​ = −13.5 Vf = 200 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
+−12 VLSC = 100 µFR = 25 Ω+−48 V

某理想 升压 变换器在 500 kHz 下把 12 V 变成 48 V,负载为 25 Ω。输出电容为 100 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 12 VVo​ = 48 Vf = 500 kHzC = 100 µFR = 25 Ω
ΔVo = mV
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)20 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 1 N·m/A,Ra = 0.2 Ω)由 120 V 供电,带动 20 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 120 Vk = 1 N·m/ARa = 0.2 ΩT = 20 N·m
n = rpm
4.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)16 N·m800 rpm

某直流电机的 k = 0.8 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω,要以 800 rpm 带动 16 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 0.8 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 16 N·mn = 800 rpm
V = V
5.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 932 W4.5 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 4.5 A 和 932 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 4.5 AP = 932 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 94 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 94 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 = 200 kVAP1 = 94 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M22 kW, η = 90%cos φ = 0.84

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 22 kW。此负载下其效率为 90%,功率因数为 0.84(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0.84VL = 480 V
IL = A
8.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 120 kW,功率因数为 0.75(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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 120 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 0.18 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 = 13.5/(9 + 13.5) = 0.6

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 9 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0.6/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0.18 A

答案

ΔIL = 0.18 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 28.8 mV

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

负载电流

Io = 48/25 = 1.92 A

输出纹波

ΔVo = 1.92·0.75/(500·10³·100·10⁻⁶) = 28.8 mV

答案

ΔVo = 28.8 mV
3.直流电机

答案: n = 1108 rpm

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。

电枢电流

Ia = T/k = 20/1 = 20 A

反电动势与转速

E = 120 − 20·0.2 = 116 V
ω = E/k = 116 rad/s → n = 1108 rpm

答案

n = 1108 rpm
4.直流电机

答案: V = 77.02 V

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。

反电动势

E = 0.8·83.78 = 67.02 V

电枢电流

Ia = 16/0.8 = 20 A

电枢电压

V = 67.02 + 20·0.5 = 77.02 V

答案

V = 77.02 V
5.交流功率和功率因数

答案: R = 46.02 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 = 932/4.5² = 46.02 Ω

答案

R = 46.02 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 81.51 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 = 94·tan(arccos 0.7) = 95.9 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) = √(200² − 95.9²) = 175.5 kW

增加的有功功率

ΔP = 175.5 − 94 = 81.51 kW

答案

ΔP = 81.51 kW
7.三相电

答案: IL = 35 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 = 22/0.9 = 24.44 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·480·0.84) = 35 A

答案

IL = 35 A
8.三相电

答案: QC = 66.39 kvar

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 = 120·tan(acos 0.75) = 120·0.8819 = 105.8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.95) = 120·0.3287 = 39.44 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 66.39 kvar

答案

QC = 66.39 kvar

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