Bepaal de omzetter (buck, boost of buck-boost) en de duty cycle D uit de spanningsverhouding.
Gebruik de volt-secondebalans over de spoel: de gemiddelde spoelspanning over een periode is nul.
Bepaal de spoelspanning terwijl de schakelaar aan staat, daarna ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Teken de ankerketen: voeding V, weerstand Ra en de tegen-EMK E in serie.
Gebruik V = E + Ia·Ra om spanning, stroom en tegen-EMK te verbinden.
Gebruik E = k·ω voor het toerental en T = k·Ia voor het koppel, met ω = 2π·n/60.
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
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
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.
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
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.
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
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
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
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.
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.