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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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
+−24 VSL = ?CR+−7.2 V

某理想降压变换器把 24 V 变成 7.2 V,开关频率为 250 kHz。求把电感纹波电流峰峰值保持在 0.6 A 的电感量 L。

Vin​ = 24 VVo​ = 7.2 Vf = 250 kHzΔIL = 0.6 A
L = µH
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​Io​DTT2T

某降压变换器在 500 kHz、L = 22 µH 下把 15 V 变成 10.5 V。求使其保持连续导通的最小负载电流 Io,min。

Vin​ = 15 VVo​ = 10.5 Vf = 500 kHzL = 22 µH
Io,min = A
3.直流电机中等
+−110 VRa​ = 1.5 ΩIa​ = 4 AM+−EωT

某直流电机从 110 V 电源吸取 4 A 电流。其电枢电阻为 1.5 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 33 W。求它的效率 η。

V = 110 VIa = 4 ARa = 1.5 ΩProt = 33 W
η = %
4.直流电机困难
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0.8 ΩM+−En = 600 rpmT = 6 N·m

某直流电机(k = 0.4 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)接在固定的 120 V 电源上,带动 6 N·m 的负载。求把转速降到 600 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 120 Vk = 0.4 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 6 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω
5.交流功率和功率因数中等
230 V118 kW, 0.628 kW, 0.7I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 18 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 8 kW、功率因数为 0.7(超前)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 18 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 8 kW, pf2 = 0.7 超前
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 17 kWQ1​S1​φ

一台 25 kVA 的单相变压器为一个 17 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 25 kVAP1 = 17 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
7.三相电中等
ABCVL​ = 400 VIL​ = 10 Acos φ = 0.82滞后

一个对称三相负载从线电压为 400 V 的电源取用 10 A 的线电流,功率因数为 0.82(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 400 VIL = 10 Acos φ = 0.82
P = kW
8.三相电困难
P = 120 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 120 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 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 120 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: L = 33.6 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 = 7.2/24 = 0.3

电感

L = 16.8·0.3/(0.6·250·10³) = 33.6 µH

答案

L = 33.6 µH
2.DC-DC 变换器

答案: Io,min = 0.1432 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 = 10.5/15 = 0.7

纹波电流

ΔIL = 10.5·0.3/(22·10⁻⁶·500·10³) = 0.2864 A

边界负载电流

Io,min = ΔIL/2 = 0.1432 A

答案

Io,min = 0.1432 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: η = 87.05 %

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。

各功率

Pin = 110·4 = 440 W
Pdev = 104·4 = 416 W
Pout = 416 − 33 = 383 W

效率

η = 383/440·100 = 87.05 %

答案

η = 87.05 %
4.直流电机

答案: Rs = 5.524 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 = 6/0.4 = 15 A
E = 0.4·62.83 = 25.13 V

串联电阻

Ra + Rs = (120 − 25.13)/15 = 6.324 Ω
Rs = 5.524 Ω

答案

Rs = 5.524 Ω

该电阻消耗 1243 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: cos φ = 0.854

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 = 18·tan(arccos 0.6) = 24 kvar
Q2 = −8·tan(arccos 0.7) = −8.162 kvar

总计

P = 18 + 8 = 26 kW
Q = 24 + (−8.162) = 15.84 kvar
S = √(26² + 15.84²) = 30.44 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 26/30.44 = 0.854 滞后

答案

cos φ = 0.854
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 4.504 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 17·tan(arccos 0.8) = 12.75 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 12.75²) = 21.5 kW

增加的有功功率

ΔP = 21.5 − 17 = 4.504 kW

答案

ΔP = 4.504 kW
7.三相电

答案: P = 5.681 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·400·10 = 6.928 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 6.928·0.82 = 5.681 kW

答案

P = 5.681 kW
8.三相电

答案: Cph = 540.2 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 = 120·tan(acos 0.75) = 120·0.8819 = 105.8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.98) = 120·0.2031 = 24.37 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 81.46 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) = 27154/(314.2·400²) = 540.2 µF

答案

Cph = 540.2 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics