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
+−12 VLSCR = 4 Ω+−20 V

某理想升压变换器把 12 V 变成 20 V,负载为 4 Ω。求电感平均电流 IL。

Vin​ = 12 VVo​ = 20 VR = 4 Ω
IL = A
2.DC-DC 变换器困难
+−12 VLSC = 470 µFR = 10 Ω+−20 V

某理想 升压 变换器在 200 kHz 下把 12 V 变成 20 V,负载为 10 Ω。输出电容为 470 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 12 VVo​ = 20 Vf = 200 kHzC = 470 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.直流电机中等
+−240 VRa​ = 1 ΩIa​ = 12 AM+−EωT

某直流电机从 240 V 电源吸取 12 A 电流。其电枢电阻为 1 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 219 W。求它的效率 η。

V = 240 VIa = 12 ARa = 1 ΩProt = 219 W
η = %
4.直流电机困难
+−220 VRa​ = 0.5 ΩM+−En = ?T = 80 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 2 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω,V = 220 V)带动 80 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 80 %。求新的转速 n。

V = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 80 N·mΦ = 80 %
n = rpm
5.交流功率和功率因数中等
240 V18 kW, 0.6522 kW, 0.9I = ?

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 8 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载,以及一个 2 kW、功率因数为 0.9(滞后)的负载。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 240 VP1 = 8 kW, pf1 = 0.65 滞后P2 = 2 kW, pf2 = 0.9 滞后
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求所需电容 C。

P = 10 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.三相电中等
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M15 kW, η = 91%cos φ = 0.9

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 15 kW。此负载下其效率为 91%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 400 V。求线电流 IL。

Pout = 15 kWη = 91%cos φ = 0.9VL = 400 V
IL = A
8.三相电困难
P = 80 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 80 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 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 80 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: IL = 8.333 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 − 12/20 = 0.4

负载电流

Io = 20/4 = 5 A

电感电流

IL = Io/(1 − D) = 5/0.6 = 8.333 A

答案

IL = 8.333 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 8.511 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 − 12/20 = 0.4

负载电流

Io = 20/10 = 2 A

输出纹波

ΔVo = 2·0.4/(200·10³·470·10⁻⁶) = 8.511 mV

答案

ΔVo = 8.511 mV
3.直流电机

答案: η = 87.4 %

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。

各功率

Pin = 240·12 = 2880 W
Pdev = 228·12 = 2736 W
Pout = 2736 − 219 = 2517 W

效率

η = 2517/2880·100 = 87.4 %

答案

η = 87.4 %
4.直流电机

答案: n = 1164 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。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.8·2 = 1.6 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 80/1.6 = 50 A

新的转速

ω = (220 − 50·0.5)/1.6 = 121.9 rad/s → n = 1164 rpm

答案

n = 1164 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 59.88 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。

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 = 8·tan(arccos 0.65) = 9.353 kvar
Q2 = 2·tan(arccos 0.9) = 0.9686 kvar

总计

P = 8 + 2 = 10 kW
Q = 9.353 + 0.9686 = 10.32 kvar
S = √(10² + 10.32²) = 14.37 kVA

总电流

I = S/V = 14371/240 = 59.88 A

答案

I = 59.88 A
6.交流功率和功率因数

答案: C = 118.2 µF

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 = P·tan φ1 = 10·tan(45.57°) = 10.2 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23.07°) = 4.26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5.942 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 5942/(2π·50·400²) = 118.2 µF

答案

C = 118.2 µF
7.三相电

答案: IL = 26.44 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 = 15/0.91 = 16.48 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16484/(√3·400·0.9) = 26.44 A

答案

IL = 26.44 A
8.三相电

答案: Cph = 439.4 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 = 80·tan(acos 0.75) = 80·0.8819 = 70.55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.9) = 80·0.4843 = 38.75 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 31.81 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10603/(314.2·277.1²) = 439.4 µF

答案

Cph = 439.4 µF

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