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 12 V 变成 4.8 V,负载为 2 Ω。开关频率为 40 kHz,L = 330 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 12 VVo​ = 4.8 Vf = 40 kHzL = 330 µHR = 2 Ω
Imax = A
2.DC-DC 变换器困难
+−9 VSLC = 47 µFR = 20 Ω−+−21 V

某理想 升降压 变换器在 500 kHz 下把 9 V 变成 −21 V,负载为 20 Ω。输出电容为 47 µF。求输出电压纹波的峰峰值 ΔVo,单位为 mV。

Vin​ = 9 VVo​ = −21 Vf = 500 kHzC = 47 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.直流电机中等
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

某直流电机在 1200 rpm 下输出 7.5 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 7.5 kWn = 1200 rpm
T = N·m
4.直流电机困难
+−48 VRa​ = 2.5 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 2.5 Ω,由 48 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 48 VRa = 2.5 Ω
Pmax = W
5.交流功率和功率因数中等
230 V19 kW, 0.7223 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 9 kW、功率因数为 0.7(滞后)的负载,以及一台 23 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 230 VP1 = 9 kW, pf1 = 0.7 滞后P2 = 23 kW, pf2 = 1
I = A
6.交流功率和功率因数困难
120 V50 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

一个 120 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 2 + j3 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 = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j3 Ω
Pmax = W
7.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 95%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 90 kW。此负载下其效率为 95%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 90 kWη = 95%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
8.三相电困难
P = 250 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 250 kW,功率因数为 0.78(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 = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: Imax = 2.509 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 = 4.8/12 = 0.4

平均电流和纹波电流

Io = 4.8/2 = 2.4 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7.2·0.4/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0.2182 A

峰值电流

Imax = 2.4 + 0.2182/2 = 2.509 A

答案

Imax = 2.509 A
2.DC-DC 变换器

答案: ΔVo = 31.28 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 = 21/(9 + 21) = 0.7

负载电流

Io = 21/20 = 1.05 A

输出纹波

ΔVo = 1.05·0.7/(500·10³·47·10⁻⁶) = 31.28 mV

答案

ΔVo = 31.28 mV
3.直流电机

答案: T = 59.68 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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1200/60 = 125.7 rad/s

扭矩

T = P/ω = 7500/125.7 = 59.68 N·m

答案

T = 59.68 N·m
4.直流电机

答案: Pmax = 230.4 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·2.5) = 230.4 W

答案

Pmax = 230.4 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

5.交流功率和功率因数

答案: I = 144.7 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。

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 = 9·tan(arccos 0.7) = 9.182 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 9 + 23 = 32 kW
Q = 9.182 + 0 = 9.182 kvar
S = √(32² + 9.182²) = 33.29 kVA

总电流

I = S/V = 33291/230 = 144.7 A

答案

I = 144.7 A
6.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1800 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* = 2 − j3 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 120/4 = 30 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·2) = 1800 W

答案

Pmax = 1800 W
7.三相电

答案: IL = 96.67 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 = 90/0.95 = 94.74 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 94737/(√3·690·0.82) = 96.67 A

答案

IL = 96.67 A
8.三相电

答案: Cph = 993.4 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 = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.98) = 250·0.2031 = 50.76 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 149.8 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) = 49935/(314.2·400²) = 993.4 µF

答案

Cph = 993.4 µF

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