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
+−36 VSL = ?CR+−25.2 V

某理想降压变换器把 36 V 变成 25.2 V,开关频率为 25 kHz。求把电感纹波电流峰峰值保持在 1 A 的电感量 L。

Vin​ = 36 VVo​ = 25.2 Vf = 25 kHzΔIL = 1 A
L = µH
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​Io​DTT2T

某降压变换器在 100 kHz、L = 68 µH 下把 9 V 变成 6.3 V。求使其保持连续导通的最小负载电流 Io,min。

Vin​ = 9 VVo​ = 6.3 Vf = 100 kHzL = 68 µH
Io,min = A
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 1.5 V·s/rad,Ra = 2 Ω)由 110 V 供电。满载时电流为 4 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 = 110 Vk = 1.5 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 4 A
SR = %
4.直流电机困难
+−220 VRa​ = 0.5 ΩM+−En = ?T = 60 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 2 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω,V = 220 V)带动 60 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 = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 60 N·mΦ = 75 %
n = rpm
5.交流功率和功率因数中等
230 V110 kW, 0.825 kW, 1I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 10 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载,以及一台 5 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 = 10 kW, pf1 = 0.8 滞后P2 = 5 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.交流功率和功率因数困难
230 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

一个 230 V(有效值)、60 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 10 + j20 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 = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j20 Ω
Pmax = W
7.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 92%cos φ = 0.88

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.88(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 92%cos φ = 0.88VL = 690 V
IL = A
8.三相电困难
P = 300 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 300 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 0.98(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 = 300 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: L = 302.4 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 = 25.2/36 = 0.7

电感

L = 10.8·0.7/(1·25·10³) = 302.4 µH

答案

L = 302.4 µH
2.DC-DC 变换器

答案: Io,min = 0.139 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 = 6.3/9 = 0.7

纹波电流

ΔIL = 6.3·0.3/(68·10⁻⁶·100·10³) = 0.2779 A

边界负载电流

Io,min = ΔIL/2 = 0.139 A

答案

Io,min = 0.139 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 = 7.843 %

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 = 60·110/(2π·1.5) = 700.3 rpm
nFL = 60·(110 − 4·2)/(2π·1.5) = 649.4 rpm

转速调整率

SR = (700.3 − 649.4)/649.4·100 = 7.843 %

答案

SR = 7.843 %
4.直流电机

答案: n = 1273 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 = 0.75·2 = 1.5 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 60/1.5 = 40 A

新的转速

ω = (220 − 40·0.5)/1.5 = 133.3 rad/s → n = 1273 rpm

答案

n = 1273 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: cos φ = 0.8944

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 = 10·tan(arccos 0.8) = 7.5 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 10 + 5 = 15 kW
Q = 7.5 + 0 = 7.5 kvar
S = √(15² + 7.5²) = 16.77 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 15/16.77 = 0.8944 滞后

答案

cos φ = 0.8944
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1323 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* = 10 − j20 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 230/20 = 11.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·10) = 1323 W

答案

Pmax = 1323 W
7.三相电

答案: IL = 7.751 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 = 7.5/0.92 = 8.152 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·690·0.88) = 7.751 A

答案

IL = 7.751 A
8.三相电

答案: Cph = 1172 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 = 300·tan(acos 0.72) = 300·0.9639 = 289.2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.98) = 300·0.2031 = 60.92 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 228.2 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 76079/(377·415²) = 1172 µF

答案

Cph = 1172 µF

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