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
+−12 VLSCR = 4 Ω+−16 V

Een ideale boost-omzetter zet 12 V om in 16 V voor een belasting van 4 Ω. Bepaal de gemiddelde spoelstroom IL.

Vin​ = 12 VVo​ = 16 VR = 4 Ω
IL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
+−36 VSLC = 470 µFR = 25 Ω−+−24 V

Een ideale buck-boost-omzetter zet 36 V om in −24 V voor een belasting van 25 Ω bij 20 kHz. De uitgangscondensator is 470 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 36 VVo​ = −24 Vf = 20 kHzC = 470 µFR = 25 Ω
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Een gelijkstroommotor met k = 0,25 V·s/rad draait op 48 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.

V = 48 Vk = 0,25 V·s/rad
n0 = rpm
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,2 ΩM+−En = 500 rpmT = 25 N·m

Een gelijkstroommotor (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) op een vaste voeding van 120 V drijft een last van 25 N·m aan. Bepaal de serieweerstand Rs die hem vertraagt tot 500 rpm.

V = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 25 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V125 kW, 0,8218 kW, 1I = ?

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 25 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,8 en een verwarmingselement van 18 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale stroom I die uit de voeding wordt opgenomen.

V = 240 VP1 = 25 kW, pf1 = 0,8 inductiefP2 = 18 kW, pf2 = 1
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 15 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een voeding van 400 V, 60 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,95. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 15 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 400 VIL​ = 120 Acos φ = 0,92inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 120 A op uit een net met een lijnspanning van 400 V. De arbeidsfactor is 0,92 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 400 VIL = 120 Acos φ = 0,92
P = kW
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 150 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 690 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,92 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: IL = 5,333 A

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 = 1 − 12/16 = 0,25

Belastingsstroom

Io = 16/4 = 4 A

Spoelstroom

IL = Io/(1 − D) = 4/0,75 = 5,333 A

Antwoord

IL = 5,333 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 40,85 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 = 24/(36 + 24) = 0,4

Belastingsstroom

Io = 24/25 = 0,96 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 0,96·0,4/(20·10³·470·10⁻⁶) = 40,85 mV

Antwoord

ΔVo = 40,85 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n0 = 1833 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.

Onbelast toerental

ω₀ = V/k = 48/0,25 = 192 rad/s
n0 = 60·192/(2π) = 1833 rpm

Antwoord

n0 = 1833 rpm
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Rs = 2,506 Ω

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.

Stroom en tegen-EMK

Ia = 25/1 = 25 A
E = 1·52,36 = 52,36 V

Serieweerstand

Ra + Rs = (120 − 52,36)/25 = 2,706 Ω
Rs = 2,506 Ω

Antwoord

Rs = 2,506 Ω

De weerstand verspilt 1566 W; een chopper regelt het toerental met veel minder verlies.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 195,5 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 van elke belasting

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

Q1 = 25·tan(arccos 0,8) = 18,75 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 25 + 18 = 43 kW
Q = 18,75 + 0 = 18,75 kvar
S = √(43² + 18,75²) = 46,91 kVA

Totale stroom

I = S/V = 46910/240 = 195,5 A

Antwoord

I = 195,5 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 39,47 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 = P·tan φ1 = 15·tan(41,41°) = 13,23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,298 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(400·0,95) = 39,47 A

Antwoord

Inew = 39,47 A
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 76,49 kW

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.

Schijnbaar vermogen

S = √3·VL·IL = √3·400·120 = 83,14 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 83,14·0,92 = 76,49 kW

Antwoord

P = 76,49 kW
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 89,13 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 89,13 kvar

Antwoord

QC = 89,13 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics