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​Io​DTT2T

某降压变换器把 48 V 变成 12 V,负载为 12 Ω。开关频率为 25 kHz,L = 330 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 48 VVo​ = 12 Vf = 25 kHzL = 330 µHR = 12 Ω
Imax = A
2.DC-DC 变换器困难
+−48 VSLC = 470 µFR = 10 Ω−+−32 V

某理想 升降压 变换器在 500 kHz 下把 48 V 变成 −32 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​ = 48 VVo​ = −32 Vf = 500 kHzC = 470 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)45 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1.5 V·s/rad,Ra = 0.2 Ω)由 120 V 供电。满载时电流为 30 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。

V = 120 Vk = 1.5 V·s/radRa = 0.2 ΩIFL = 30 A
SR = %
4.直流电机困难
+−110 VRst​ = ?Ra​ = 0.4 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

某 110 V 直流电机的电枢电阻为 0.4 Ω。求把起动电流限制在 15 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 110 VRa = 0.4 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
5.交流功率和功率因数中等
P = 35 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 35 kWpf = 0.85V = 230 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
400 V60 Hz负载14 kW, 0.75C22 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、60 Hz 的电源吸取 14 kW,功率因数为 0.75(滞后)。一个 22 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 14 kWpf1 = 0.75V = 400 Vf = 60 HzC = 22 µF
I = A
7.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 90%cos φ = 0.86

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 90%,功率因数为 0.86(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 90%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
8.三相电困难
P = 60 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 60 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 0.98(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 = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: Imax = 1.545 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 = 12/48 = 0.25

平均电流和纹波电流

Io = 12/12 = 1 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0.25/(330·10⁻⁶·25·10³) = 1.091 A

峰值电流

Imax = 1 + 1.091/2 = 1.545 A

答案

Imax = 1.545 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 5.447 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 = 32/(48 + 32) = 0.4

负载电流

Io = 32/10 = 3.2 A

输出纹波

ΔVo = 3.2·0.4/(500·10³·470·10⁻⁶) = 5.447 mV

答案

ΔVo = 5.447 mV
3.直流电机

答案: SR = 5.263 %

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。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·120/(2π·1.5) = 763.9 rpm
nFL = 60·(120 − 30·0.2)/(2π·1.5) = 725.7 rpm

转速调整率

SR = (763.9 − 725.7)/725.7·100 = 5.263 %

答案

SR = 5.263 %
4.直流电机

答案: Rst = 6.933 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 = 110/15 = 7.333 Ω

起动电阻

Rst = 7.333 − 0.4 = 6.933 Ω

答案

Rst = 6.933 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: Q = 21.69 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。

相角

φ = arccos(0.85) = 31.79°, tan φ = 0.6197

无功功率

Q = P·tan φ = 35·0.6197 = 21.69 kvar

答案

Q = 21.69 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: I = 44.54 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 = 14·tan(arccos 0.75) = 12.35 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·22·10⁻⁶ = 1327 var = 1.327 kvar
Q2 = 12.35 − 1.327 = 11.02 kvar

新的视在功率

S2 = √(14² + 11.02²) = 17.82 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 17817/400 = 44.54 A

答案

I = 44.54 A
7.三相电

答案: IL = 8.108 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 = 7.5/0.9 = 8.333 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8333/(√3·690·0.86) = 8.108 A

答案

IL = 8.108 A
8.三相电

答案: Cph = 810.3 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 = 60·tan(acos 0.75) = 60·0.8819 = 52.92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 40.73 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 = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13577/(314.2·230.9²) = 810.3 µF

答案

Cph = 810.3 µF

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