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 500 kHz、L = 10 µH 下把 12 V 变成 −18 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 12 VVo​ = −18 Vf = 500 kHzL = 10 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

某降压变换器在 40 kHz 下把 24 V 变成 18 V,负载为 4 Ω,L = 150 µH,C = 100 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 24 VVo​ = 18 Vf = 40 kHzL = 150 µHC = 100 µF
ΔVo = mV
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)22.5 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.75 N·m/A,Ra = 1 Ω)由 220 V 供电,带动 22.5 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 220 Vk = 0.75 N·m/ARa = 1 ΩT = 22.5 N·m
n = rpm
4.直流电机困难
+−120 VRa​ = 1.2 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 1.2 Ω,由 120 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 120 VRa = 1.2 Ω
Pmax = W
5.交流功率和功率因数中等
P = 27 kWQSφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 27 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求线路电流 I。

P = 27 kWpf = 0.8V = 240 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = 60 Acos φ = 0.8滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 60 A 的线电流,功率因数为 0.8(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 60 Acos φ = 0.8
P = kW
8.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 120 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 0.95(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 = 120 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 1.44 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 = 18/(12 + 18) = 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 = 12 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0.6/(10·10⁻⁶·500·10³) = 1.44 A

答案

ΔIL = 1.44 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 23.44 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 = 18/24 = 0.75

电感纹波电流

ΔIL = (24 − 18)·0.75/(150·10⁻⁶·40·10³) = 0.75 A

输出纹波

ΔVo = 0.75/(8·40·10³·100·10⁻⁶) = 23.44 mV

答案

ΔVo = 23.44 mV
3.直流电机

答案: n = 2419 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 = 22.5/0.75 = 30 A

反电动势与转速

E = 220 − 30·1 = 190 V
ω = E/k = 253.3 rad/s → n = 2419 rpm

答案

n = 2419 rpm
4.直流电机

答案: Pmax = 3000 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1.2) = 3000 W

答案

Pmax = 3000 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 140.6 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 27000/(240·0.8) = 140.6 A

答案

I = 140.6 A
6.交流功率和功率因数

答案: QC = 9.118 kvar

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 = 20·tan(41.41°) = 17.64 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23.07°) = 8.52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.118 kvar

答案

QC = 9.118 kvar
7.三相电

答案: P = 57.37 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 = √3·690·60 = 71.71 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 71.71·0.8 = 57.37 kW

答案

P = 57.37 kW
8.三相电

答案: Cph = 424.7 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 = 120·tan(acos 0.72) = 120·0.9639 = 115.7 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 = 76.22 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25407/(377·398.4²) = 424.7 µF

答案

Cph = 424.7 µF

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