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
+−36 VSL = ?CR+−18 V

Een ideale buck-omzetter zet 36 V om in 18 V bij een schakelfrequentie van 20 kHz. Bepaal de zelfinductie L die de piek-piek-rimpelstroom door de spoel op 0,6 A houdt.

Vin​ = 36 VVo​ = 18 Vf = 20 kHzΔIL = 0,6 A
L = µH
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tiL​Imax​IL​DTT2T

Een ideale buck-omzetter zet 36 V om in 27 V voor een belasting van 50 Ω bij 250 kHz. Bepaal de kleinste zelfinductie Lcrit voor continue geleiding.

Vin​ = 36 VVo​ = 27 Vf = 250 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
+−240 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 30 AM+−EωT

Een gelijkstroommotor neemt 30 A op uit een voeding van 240 V. Zijn ankerweerstand is 0,25 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 558 W. Bepaal zijn rendement η.

V = 240 VIa = 30 ARa = 0,25 ΩProt = 558 W
η = %
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 20 → 5 AM+−En = ?T

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor op 48 V (Ra = 0,2 Ω) draait met 1200 rpm bij een ankerstroom van 20 A. De belasting verandert en de stroom wordt 5 A, terwijl het veld gelijk blijft. Bepaal het nieuwe toerental n2.

V = 48 VRa = 0,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 20 AIa2 = 5 A
n2 = rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 VZ6 + j8 ΩI

Een belasting met impedantie Z = 6 + j8 Ω is aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V (rms). Vind het werkelijk vermogen P dat ze opneemt.

V = 240 VZ = 6 + j8 Ω
P = W
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 121 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 200 kVA voedt een belasting van 121 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,75. Hoeveel extra werkelijk vermogen ΔP kan er als resistieve belasting (arbeidsfactor 1) worden bijgeplaatst voordat de transformator zijn nominale kVA bereikt?

Smax = 200 kVAP1 = 121 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 690 VIL​ = 15 Acos φ = 0,82inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 15 A op uit een net met een lijnspanning van 690 V. De arbeidsfactor is 0,82 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 690 VIL = 15 Acos φ = 0,82
P = kW
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 250 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 480 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,9 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: L = 750 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 = 18/36 = 0,5

Zelfinductie

L = 18·0,5/(0,6·20·10³) = 750 µH

Antwoord

L = 750 µH
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: Lcrit = 25 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 = 27/36 = 0,75

Grensvoorwaarde

Stel de gemiddelde spoelstroom gelijk aan de helft van de rimpelstroom en los op voor L.

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

Kritieke zelfinductie

Lcrit = (1 − 0,75)·50/(2250·10³) = 25 µH

Antwoord

Lcrit = 25 µH
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: η = 89,13 %

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.

Vermogens

Pin = 240·30 = 7200 W
Pdev = 232,5·30 = 6975 W
Pout = 6975 − 558 = 6417 W

Rendement

η = 6417/7200·100 = 89,13 %

Antwoord

η = 89,13 %
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n2 = 1282 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 = 48 − 20·0,2 = 44 V
E2 = 48 − 5·0,2 = 47 V

Nieuw toerental

n2 = 1200·47/44 = 1282 rpm

Antwoord

n2 = 1282 rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: P = 3456 W

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.

Stroom

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A

Werkelijk vermogen

P = I²·R = 24²·6 = 3456 W

Antwoord

P = 3456 W
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 48,15 kW

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 de bestaande belasting

Q1 = 121·tan(arccos 0,75) = 106,7 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

Bij volle belasting is S = Smax, en Q verandert niet door de resistieve belasting.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 106,7²) = 169,2 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 169,2 − 121 = 48,15 kW

Antwoord

ΔP = 48,15 kW
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 14,7 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 = √3·690·15 = 17,93 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 17,93·0,82 = 14,7 kW

Antwoord

P = 14,7 kW
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 134 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 134 kvar

Antwoord

QC = 134 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics