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 15 V 变成 7.5 V,负载为 20 Ω。开关频率为 200 kHz,L = 150 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 15 VVo​ = 7.5 Vf = 200 kHzL = 150 µHR = 20 Ω
Imax = A
2.DC-DC 变换器困难
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

某降压变换器在 250 kHz 下把 48 V 变成 14.4 V,负载为 50 Ω,L = 330 µH,C = 47 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 48 VVo​ = 14.4 Vf = 250 kHzL = 330 µHC = 47 µF
ΔVo = mV
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 1 N·m/A,Ra = 1 Ω,接到 240 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 240 Vk = 1 N·m/ARa = 1 Ω
Tstall = N·m
4.直流电机困难
+−240 VD = ?Ra​ = 0.25 ΩM+−En = 900 rpmT = 3.75 N·m

某直流斩波器从 240 V 直流母线给电机(k = 0.25 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω)供电。平均电枢电压为 D·240 V。求使电机在 3.75 N·m 负载下以 900 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 240 Vk = 0.25 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 3.75 N·mn = 900 rpm
D = %
5.交流功率和功率因数中等
230 V128 kW, 0.6226 kW, 1I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 28 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一台 26 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 28 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 26 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 15 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求新的线路电流 Inew。

P = 15 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.三相电中等
ABCVL​ = 400 VNZ = 4 + j3 Ω每相

一个每相阻抗为 4 + j3 Ω 的对称 Y 联结负载接在线电压为 400 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 = 400 VZ = 4 + j3 Ω 每相
P = kW
8.三相电困难
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 200 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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 200 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: Imax = 0.4375 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 = 7.5/15 = 0.5

平均电流和纹波电流

Io = 7.5/20 = 0.375 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.5·0.5/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0.125 A

峰值电流

Imax = 0.375 + 0.125/2 = 0.4375 A

答案

Imax = 0.4375 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 1.3 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 = 14.4/48 = 0.3

电感纹波电流

ΔIL = (48 − 14.4)·0.3/(330·10⁻⁶·250·10³) = 0.1222 A

输出纹波

ΔVo = 0.1222/(8·250·10³·47·10⁻⁶) = 1.3 mV

答案

ΔVo = 1.3 mV
3.直流电机

答案: Tstall = 240 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 = 240/1 = 240 A

堵转转矩

Tstall = 1·240 = 240 N·m

答案

Tstall = 240 N·m
4.直流电机

答案: D = 11.38 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.25·94.25 + 15·0.25 = 27.31 V

占空比

D = 27.31/240 = 11.38 %

答案

D = 11.38 %
5.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8226

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 28·tan(arccos 0.6) = 37.33 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 28 + 26 = 54 kW
Q = 37.33 + 0 = 37.33 kvar
S = √(54² + 37.33²) = 65.65 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 54/65.65 = 0.8226 滞后

答案

cos φ = 0.8226
6.交流功率和功率因数

答案: Inew = 41.67 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 = P·tan φ1 = 15·tan(45.57°) = 15.3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25.84°) = 7.265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.038 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(400·0.9) = 41.67 A

答案

Inew = 41.67 A
7.三相电

答案: P = 25.6 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 = 400/√3 = 230.9 V

相电流

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 230.9/5 = 46.19 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 = 3·46.19²·4 = 25.6 kW

答案

P = 25.6 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: QC = 127 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 = 200·tan(acos 0.72) = 200·0.9639 = 192.8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 127 kvar

答案

QC = 127 kvar

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