Vermogenselektronica en aandrijvingen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

DC-DC-omzetters

Buck
Vo = D·Vin
Boost
Vo = Vin/(1 − D)
Inverterende buck-boost
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Ideale vermogensbalans
VinIin = VoIo
Spoelrimpel
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Gemiddelde spoelstroom
buck Io; boost en buck-boost Io/(1 − D)
Uitgangsrimpel
buck ΔIL/(8fC); boost en buck-boost Io·D/(fC)
Grens van continue geleiding
buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Methode

  1. Bepaal de omzetter (buck, boost of buck-boost) en de duty cycle D uit de spanningsverhouding.
  2. Gebruik de volt-secondebalans over de spoel: de gemiddelde spoelspanning over een periode is nul.
  3. Bepaal de spoelspanning terwijl de schakelaar aan staat, daarna ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Bepaal voor de uitgangsrimpel de lading die in en uit de condensator stroomt; stel voor de grens van continue geleiding de gemiddelde spoelstroom gelijk aan ΔIL/2.

Gelijkstroommotoren

Ankerketen
V = E + IaRa
Tegen-EMK en koppel
E = k·ω, T = k·Ia
Snelheid
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Onbelast toerental en blokkeerkoppel
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Vermogens
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Starten
Istart = V/(Ra + Rst)
Toerentalregeling
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maximaal ontwikkeld vermogen
Pmax = V²/(4Ra)
Chopperaandrijving
Va = D·Vdc

Methode

  1. Teken de ankerketen: voeding V, weerstand Ra en de tegen-EMK E in serie.
  2. Gebruik V = E + Ia·Ra om spanning, stroom en tegen-EMK te verbinden.
  3. Gebruik E = k·ω voor het toerental en T = k·Ia voor het koppel, met ω = 2π·n/60.
  4. Begin voor vermogen en rendement bij V·Ia, trek het koperverlies Ia²·Ra af en daarna de rotatieverliezen.

Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Werkelijk vermogen
P = V·I·cos φ
Blindvermogen
Q = V·I·sin φ
Schijnbaar vermogen
S = V·I = √(P² + Q²)
Arbeidsfactor
pf = cos φ = P/S
Compensatiecondensator
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Draaistroomvermogen

Sterschakeling (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Driehoekschakeling (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Totaal werkelijk vermogen
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Schijnbaar vermogen en blindvermogen
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Compensatiecondensatoren
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Spanning over elke condensator
Δ: VL Y: VL/√3
Opgenomen motorvermogen
Pin = Pout/η

2Oefenopgaven

1.DC-DC-omzettersGemiddeld
+−48 VSL = ?CR+−24 V

Een ideale buck-omzetter zet 48 V om in 24 V bij een schakelfrequentie van 250 kHz. Bepaal de zelfinductie L die de piek-piek-rimpelstroom door de spoel op 2 A houdt.

Vin​ = 48 VVo​ = 24 Vf = 250 kHzΔIL = 2 A
L = µH
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
+−12 VSLC = 22 µFR = 4 Ω−+−18 V

Een ideale buck-boost-omzetter zet 12 V om in −18 V voor een belasting van 4 Ω bij 100 kHz. De uitgangscondensator is 22 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 12 VVo​ = −18 Vf = 100 kHzC = 22 µFR = 4 Ω
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

Een gelijkstroommotor levert 0,5 kW mechanisch vermogen bij 3000 rpm. Bepaal het askoppel T.

P = 0,5 kWn = 3000 rpm
T = N·m
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VRa​ = 0,25 ΩIa​: 25 → 50 AM+−En = ?T

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor op 120 V (Ra = 0,25 Ω) draait met 1500 rpm bij een ankerstroom van 25 A. De belasting verandert en de stroom wordt 50 A, terwijl het veld gelijk blijft. Bepaal het nieuwe toerental n2.

V = 120 VRa = 0,25 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 25 AIa2 = 50 A
n2 = rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
400 V114 kW, 0,7226 kW, 1I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 400 V: een belasting van 14 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 en een verwarmingselement van 26 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 400 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,7 inductiefP2 = 26 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
240 V60 Hzbelasting7 kW, 0,65C150 µFI = ?

Een eenfasige belasting neemt 7 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een voeding van 240 V, 60 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 150 µF aangesloten. Vind de nieuwe lijnstroom I.

P = 7 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
I = A
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 90%cos φ = 0,9

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 55 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 90% en de arbeidsfactor 0,9 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 480 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 55 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 300 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,78 uit een net van 400 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: L = 24 µH

DC-DC-omzetters: een schakelaar S staat gedurende de fractie D van elke periode T = 1/f aan. In de stationaire toestand is de gemiddelde spoelspanning nul (volt-secondebalans), wat de ideale omzettingsverhoudingen geeft bij continue geleiding: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), inverterende buck-boost |Vo| = Vin·D/(1 − D). Een ideale omzetter behoudt het vermogen: Vin·Iin = Vo·Io. Zolang S aan staat, stijgt de spoelstroom met ΔIL = VL·D·T/L, met VL = Vin − Vo voor de buck en Vin voor de boost en de buck-boost. De uitgangsrimpel is ΔVo = ΔIL/(8fC) voor de buck en Io·D/(fC) voor de boost en de buck-boost. De spoelstroom raakt net nul (de grens van continue geleiding) als de gemiddelde spoelstroom gelijk is aan ΔIL/2.

Duty cycle

D = 24/48 = 0,5

Zelfinductie

L = 24·0,5/(2·250·10³) = 24 µH

Antwoord

L = 24 µH
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 1227 mV

DC-DC-omzetters: een schakelaar S staat gedurende de fractie D van elke periode T = 1/f aan. In de stationaire toestand is de gemiddelde spoelspanning nul (volt-secondebalans), wat de ideale omzettingsverhoudingen geeft bij continue geleiding: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), inverterende buck-boost |Vo| = Vin·D/(1 − D). Een ideale omzetter behoudt het vermogen: Vin·Iin = Vo·Io. Zolang S aan staat, stijgt de spoelstroom met ΔIL = VL·D·T/L, met VL = Vin − Vo voor de buck en Vin voor de boost en de buck-boost. De uitgangsrimpel is ΔVo = ΔIL/(8fC) voor de buck en Io·D/(fC) voor de boost en de buck-boost. De spoelstroom raakt net nul (de grens van continue geleiding) als de gemiddelde spoelstroom gelijk is aan ΔIL/2.

Duty cycle

D = 18/(12 + 18) = 0,6

Belastingsstroom

Io = 18/4 = 4,5 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 4,5·0,6/(100·10³·22·10⁻⁶) = 1227 mV

Antwoord

ΔVo = 1227 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: T = 1,592 N·m

Gelijkstroommotor: het anker is een weerstand Ra in serie met de tegen-EMK E, dus V = E + Ia·Ra. De tegen-EMK groeit met het toerental, E = k·ω, en het koppel met de stroom, T = k·Ia, met dezelfde motorconstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-eenheden. Reken toerentallen om met ω = 2π·n/60. Het ontwikkelde vermogen is E·Ia = T·ω; het ingangsvermogen is V·Ia, en het koperverlies Ia²Ra en het rotatieverlies vormen het verschil. Het toerental daalt lineair met het koppel, ω = V/k − Ra·T/k², van het onbelaste toerental V/k tot nul bij het blokkeerkoppel k·V/Ra. In stilstand is E = 0, dus de aanloopstroom V/Ra is groot, tenzij een weerstand hem beperkt.

Snelheid in rad/s

ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s

Koppel

T = P/ω = 500/314,2 = 1,592 N·m

Antwoord

T = 1,592 N·m
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n2 = 1418 rpm

Gelijkstroommotor: het anker is een weerstand Ra in serie met de tegen-EMK E, dus V = E + Ia·Ra. De tegen-EMK groeit met het toerental, E = k·ω, en het koppel met de stroom, T = k·Ia, met dezelfde motorconstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-eenheden. Reken toerentallen om met ω = 2π·n/60. Het ontwikkelde vermogen is E·Ia = T·ω; het ingangsvermogen is V·Ia, en het koperverlies Ia²Ra en het rotatieverlies vormen het verschil. Het toerental daalt lineair met het koppel, ω = V/k − Ra·T/k², van het onbelaste toerental V/k tot nul bij het blokkeerkoppel k·V/Ra. In stilstand is E = 0, dus de aanloopstroom V/Ra is groot, tenzij een weerstand hem beperkt.

Tegen-EMK ervoor en erna

E1 = 120 − 25·0,25 = 113,8 V
E2 = 120 − 50·0,25 = 107,5 V

Nieuw toerental

n2 = 1500·107,5/113,8 = 1418 rpm

Antwoord

n2 = 1418 rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9418

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Blindvermogen van elke belasting

Een inductieve belasting neemt blindvermogen op (Q > 0); een capacitieve belasting levert het (Q < 0).

Q1 = 14·tan(arccos 0,7) = 14,28 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 14 + 26 = 40 kW
Q = 14,28 + 0 = 14,28 kvar
S = √(40² + 14,28²) = 42,47 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 40/42,47 = 0,9418 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9418
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 35,67 A

Wisselstroomvermogen: het schijnbaar vermogen S = V·I (VA) splitst zich in werkelijk vermogen P = S·cos φ (W), dat nuttig werk doet, en blindvermogen Q = S·sin φ (var), dat heen en weer gaat tussen bron en belasting. De arbeidsfactor is cos φ. Een condensator parallel levert blindvermogen ter plaatse, dus de lijnstroom daalt bij hetzelfde werkelijk vermogen.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen P verandert niet; alleen het blindvermogen uit het net verandert.

Q1 = 7·tan(arccos 0,65) = 8,184 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 8,184 − 3,257 = 4,927 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(7² + 4,927²) = 8,56 kVA

Nieuwe lijnstroom

I = S2/V = 8560/240 = 35,67 A

Antwoord

I = 35,67 A
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 81,67 A

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Opgenomen elektrisch vermogen

Pin = Pout/η = 55/0,9 = 61,11 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 61111/(√3·480·0,9) = 81,67 A

Antwoord

IL = 81,67 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 179,8 kvar

Symmetrische draaistroomsystemen: in een Y-schakeling (ster) is de lijnspanning √3 keer de fasespanning, VL = √3·Vph, en is de lijnstroom gelijk aan de fasestroom. In een Δ-schakeling (driehoek) is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning en is de lijnstroom √3 keer de fasestroom, IL = √3·Iph. Het totale vermogen is drie keer het vermogen van één fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Arbeidsfactorcompensatie: condensatoren leveren blindvermogen ter plaatse, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Elk van de drie condensatoren levert QC/3 = V²·ω·C, waarbij V de spanning over die condensator is: VL in een driehoeksbank, VL/√3 in een sterbank.

Blindvermogen voor en na

Het werkelijk vermogen verandert niet, dus elke arbeidsfactor legt het blindvermogen vast: Q = P·tan φ.

Q1 = 300·tan(acos 0,78) = 300·0,8023 = 240,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 179,8 kvar

Antwoord

QC = 179,8 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics