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 25 kHz、L = 150 µH 下把 9 V 变成 −3 V。求电感纹波电流的峰峰值 ΔIL。

Vin​ = 9 VVo​ = −3 Vf = 25 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​IL​DTT2T

某理想 降压 变换器在 500 kHz 下把 15 V 变成 10.5 V,负载为 25 Ω。求连续导通所需的最小电感 Lcrit。

Vin​ = 15 VVo​ = 10.5 Vf = 500 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 0.5 N·m/A,Ra = 0.8 Ω,接到 110 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 110 Vk = 0.5 N·m/ARa = 0.8 Ω
Tstall = N·m
4.直流电机困难
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0.8 ΩM+−En = 750 rpmT = 4.5 N·m

某直流电机(k = 0.3 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)接在固定的 120 V 电源上,带动 4.5 N·m 的负载。求把转速降到 750 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 120 Vk = 0.3 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 4.5 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω
5.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 2784 W14.5 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 14.5 A 和 2784 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 14.5 AP = 2784 W
R = Ω
6.交流功率和功率因数困难
12 V1000 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

一个 12 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 25 + j30 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 25 + j30 Ω
Pmax = W
7.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 92%cos φ = 0.9

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 55 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
8.三相电困难
P = 150 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 150 kW,功率因数为 0.7(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 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: ΔIL = 0.6 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 = 3/(9 + 3) = 0.25

导通期间的电感电压

S 导通时,电感直接跨接在 Vin 两端。

VL = 9 V

纹波电流

ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0.25/(150·10⁻⁶·25·10³) = 0.6 A

答案

ΔIL = 0.6 A
2.DC-DC 变换器

答案: Lcrit = 7.5 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 = 10.5/15 = 0.7

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半,解出 L。

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

临界电感

Lcrit = (1 − 0.7)·25/(2500·10³) = 7.5 µH

答案

Lcrit = 7.5 µH
3.直流电机

答案: Tstall = 68.75 N·m

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。

堵转电流

Ia = V/Ra = 110/0.8 = 137.5 A

堵转转矩

Tstall = 0.5·137.5 = 68.75 N·m

答案

Tstall = 68.75 N·m
4.直流电机

答案: Rs = 5.629 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。

电流与反电动势

Ia = 4.5/0.3 = 15 A
E = 0.3·78.54 = 23.56 V

串联电阻

Ra + Rs = (120 − 23.56)/15 = 6.429 Ω
Rs = 5.629 Ω

答案

Rs = 5.629 Ω

该电阻消耗 1267 W;斩波器调速的损耗要小得多。

5.交流功率和功率因数

答案: R = 13.24 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 2784/14.5² = 13.24 Ω

答案

R = 13.24 Ω
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1.44 W

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* = 25 − j30 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 12/50 = 0.24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·25) = 1.44 W

答案

Pmax = 1.44 W
7.三相电

答案: IL = 55.58 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 = 55/0.92 = 59.78 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·690·0.9) = 55.58 A

答案

IL = 55.58 A
8.三相电

答案: Cph = 812.8 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 = 150·tan(acos 0.7) = 150·1.02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 122.6 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 = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 40857/(314.2·400²) = 812.8 µF

答案

Cph = 812.8 µF

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