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 14.4 V,负载为 15 Ω。开关频率为 250 kHz,L = 47 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 250 kHzL = 47 µHR = 15 Ω
Imax = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​IL​DTT2T

某理想 升压 变换器在 100 kHz 下把 24 V 变成 40 V,负载为 25 Ω。求连续导通所需的最小电感 Lcrit。

Vin​ = 24 VVo​ = 40 Vf = 100 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)12 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1.2 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)由 240 V 供电。满载时电流为 10 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 = 240 Vk = 1.2 V·s/radRa = 0.8 ΩIFL = 10 A
SR = %
4.直流电机困难
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 0.25 Ω50 AM+−E = 0n = 0T

某 240 V 直流电机的电枢电阻为 0.25 Ω。求把起动电流限制在 50 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 240 VRa = 0.25 ΩImax = 50 A
Rst = Ω
5.交流功率和功率因数中等
P = 29 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 29 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求线路电流 I。

P = 29 kWpf = 0.9V = 400 V
I = A
6.交流功率和功率因数困难
24 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

一个 24 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 20 + j20 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 获得最大功率的负载由一个电阻与一个电容串联构成。求电容 C。

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j20 Ω
C = µF
7.三相电中等
ABCVL​ = 415 VNZ = 9 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 9 + j12 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 415 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VZ = 9 + j12 Ω 每相
P = kW
8.三相电困难
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 250 kW,功率因数为 0.78(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 = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: Imax = 1.389 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

平均电流和纹波电流

Io = 14.4/15 = 0.96 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 33.6·0.3/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0.8579 A

峰值电流

Imax = 0.96 + 0.8579/2 = 1.389 A

答案

Imax = 1.389 A
2.DC-DC 变换器

答案: Lcrit = 18 µH

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 − 24/40 = 0.4

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半,解出 L。

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

临界电感

Lcrit = 0.4(1 − 0.4)²·25/(2100·10³) = 18 µH

答案

Lcrit = 18 µH
3.直流电机

答案: SR = 3.448 %

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 = 60·240/(2π·1.2) = 1910 rpm
nFL = 60·(240 − 10·0.8)/(2π·1.2) = 1846 rpm

转速调整率

SR = (1910 − 1846)/1846·100 = 3.448 %

答案

SR = 3.448 %
4.直流电机

答案: Rst = 4.55 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 = 240/50 = 4.8 Ω

起动电阻

Rst = 4.8 − 0.25 = 4.55 Ω

答案

Rst = 4.55 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: I = 80.56 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) = 29000/(400·0.9) = 80.56 A

答案

I = 80.56 A
6.交流功率和功率因数

答案: C = 159.2 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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 20 − j20 Ω

电容

XC = 20 Ω → C = 1/(2π·50·20) = 159.2 µF

答案

C = 159.2 µF
7.三相电

答案: P = 6.889 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。

相电压

Vph = 415/√3 = 239.6 V

相电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 239.6/15 = 15.97 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·15.97²·9 = 6.889 kW

答案

P = 6.889 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

8.三相电

答案: QC = 118.4 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 = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.95) = 250·0.3287 = 82.17 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 118.4 kvar

答案

QC = 118.4 kvar

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