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 降压 变换器在 500 kHz、L = 68 µH 下把 12 V 变成 7.2 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 12 VVo​ = 7.2 Vf = 500 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​Io​DTT2T

某降压变换器在 200 kHz、L = 220 µH 下把 48 V 变成 28.8 V。求使其保持连续导通的最小负载电流 Io,min。

Vin​ = 48 VVo​ = 28.8 Vf = 200 kHzL = 220 µH
Io,min = A
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)10 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1 V·s/rad,Ra = 1 Ω)由 120 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 = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 10 A
SR = %
4.直流电机困难
+−110 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 10 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 1 V·s/rad,Ra = 1 Ω,V = 110 V)带动 10 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 75 %。求新的转速 n。

V = 110 Vk = 1 V·s/radRa = 1 ΩT = 10 N·mΦ = 75 %
n = rpm
5.交流功率和功率因数中等
120 VZ9 + j12 ΩI

一个阻抗为 Z = 9 + j12 Ω 的负载接在 120 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
230 V60 Hz负载26 kW, 0.65C330 µFI

一个单相负载从 230 V、60 Hz 的电源吸取 26 kW,功率因数为 0.65(滞后)。一个 330 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 26 kWpf1 = 0.65V = 230 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
7.三相电中等
ABCVL​ = 208 VNZ = 8 + j6 Ω每相

一个每相阻抗为 8 + j6 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 208 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 = 208 VZ = 8 + j6 Ω 每相
P = kW
8.三相电困难
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 80 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 80 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 0.08471 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 = 7.2/12 = 0.6

导通期间的电感电压

S 导通时,电感连接在 Vin 和 Vo 之间。

VL = 12 − 7.2 = 4.8 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 4.8·0.6/(68·10⁻⁶·500·10³) = 0.08471 A

答案

ΔIL = 0.08471 A
2.DC-DC 变换器

答案: Io,min = 0.1309 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 = 28.8/48 = 0.6

纹波电流

ΔIL = 28.8·0.4/(220·10⁻⁶·200·10³) = 0.2618 A

边界负载电流

Io,min = ΔIL/2 = 0.1309 A

答案

Io,min = 0.1309 A

低于这个电流时,变换器进入断续导通模式,Vo 会升高到 D·Vin 以上。

3.直流电机

答案: SR = 9.091 %

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) = 1146 rpm
nFL = 60·(120 − 10·1)/(2π·1) = 1050 rpm

转速调整率

SR = (1146 − 1050)/1050·100 = 9.091 %

答案

SR = 9.091 %
4.直流电机

答案: n = 1231 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 = 0.75·1 = 0.75 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 10/0.75 = 13.33 A

新的转速

ω = (110 − 13.33·1)/0.75 = 128.9 rad/s → n = 1231 rpm

答案

n = 1231 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: Q = 768 var

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。

电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

无功功率

Q = I²·X = 8²·12 = 768 var

答案

Q = 768 var
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7374

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 = 26·tan(arccos 0.65) = 30.4 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·330·10⁻⁶ = 6581 var = 6.581 kvar
Q2 = 30.4 − 6.581 = 23.82 kvar

新的视在功率

S2 = √(26² + 23.82²) = 35.26 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 26/35.26 = 0.7374

答案

cos φ = 0.7374
7.三相电

答案: P = 3.461 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 = 208/√3 = 120.1 V

相电流

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 120.1/10 = 12.01 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 = 3·12.01²·8 = 3.461 kW

答案

P = 3.461 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

8.三相电

答案: Cph = 159.7 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 = 80·tan(acos 0.8) = 80·0.75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 25.92 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8640/(314.2·415²) = 159.7 µF

答案

Cph = 159.7 µF

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