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
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Een buck-omzetter zet 9 V om in 2,7 V voor een belasting van 12 Ω. Hij schakelt met 25 kHz met L = 330 µH. Bepaal de piekspoelstroom Imax.

Vin​ = 9 VVo​ = 2,7 Vf = 25 kHzL = 330 µHR = 12 Ω
Imax = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tvo​Vo​ΔV = ?DTT2T

Een buck-omzetter zet 48 V om in 14,4 V voor een belasting van 10 Ω bij 100 kHz, met L = 47 µH en C = 220 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 48 VVo​ = 14,4 Vf = 100 kHzL = 47 µHC = 220 µF
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)30 N·mn0​n = ?

Een gelijkstroommotor (k = 1,5 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) draait op 220 V en drijft een lastkoppel van 30 N·m aan. Bepaal zijn toerental n in rpm.

V = 220 Vk = 1,5 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 30 N·m
n = rpm
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−110 VRa​ = 1,2 ΩM+−En = ?T = 3 N·m

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,5 V·s/rad bij vol veld, Ra = 1,2 Ω, V = 110 V) drijft een constant lastkoppel van 3 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 80 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.

V = 110 Vk = 0,5 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 3 N·mΦ = 80 %
n = rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 37 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 37 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 230 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 37 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
120 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Een bron van 120 V (rms), 60 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 25 + j5 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j5 Ω
Pmax = W
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,88

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 75 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 93% en de arbeidsfactor 0,88 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 400 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 250 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een net van 415 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,95 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. Vind het totale blindvermogen QC dat de condensatorbank moet leveren, in kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: Imax = 0,3395 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 = 2,7/9 = 0,3

Gemiddelde stroom en rimpelstroom

Io = 2,7/12 = 0,225 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6,3·0,3/(330·10⁻⁶·25·10³) = 0,2291 A

Piekstroom

Imax = 0,225 + 0,2291/2 = 0,3395 A

Antwoord

Imax = 0,3395 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 12,19 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 = 14,4/48 = 0,3

Spoelrimpelstroom

ΔIL = (48 − 14,4)·0,3/(47·10⁻⁶·100·10³) = 2,145 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 2,145/(8·100·10³·220·10⁻⁶) = 12,19 mV

Antwoord

ΔVo = 12,19 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 1350 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.

Ankerstroom

Ia = T/k = 30/1,5 = 20 A

Tegen-EMK en toerental

E = 220 − 20·0,4 = 212 V
ω = E/k = 141,3 rad/s → n = 1350 rpm

Antwoord

n = 1350 rpm
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 2411 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.

Verzwakte motorconstante

k₂ = 0,8·0,5 = 0,4 V·s/rad

Nieuwe ankerstroom

Ia = 3/0,4 = 7,5 A

Nieuw toerental

ω = (110 − 7,5·1,2)/0,4 = 252,5 rad/s → n = 2411 rpm

Antwoord

n = 2411 rpm

Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 27,75 kvar

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.

Hoek

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 37·0,75 = 27,75 kvar

Antwoord

Q = 27,75 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 144 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.

Complex geconjugeerde aanpassing

De reactantie van de belasting heft die van de bron op, en de belastingsweerstand is gelijk aan de bronweerstand.

ZL = Zs* = 25 − j5 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 120/50 = 2,4 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·25) = 144 W

Antwoord

Pmax = 144 W
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 132,3 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 = 75/0,93 = 80,65 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·400·0,88) = 132,3 A

Antwoord

IL = 132,3 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 138,3 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 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Antwoord

QC = 138,3 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics