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 VLSCR = 2 Ω+−64 V

Een ideale boost-omzetter zet 48 V om in 64 V voor een belasting van 2 Ω. Bepaal de gemiddelde spoelstroom IL.

Vin​ = 48 VVo​ = 64 VR = 2 Ω
IL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
+−12 VLSC = 22 µFR = 10 Ω+−40 V

Een ideale boost-omzetter zet 12 V om in 40 V voor een belasting van 10 Ω bij 20 kHz. De uitgangscondensator is 22 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 12 VVo​ = 40 Vf = 20 kHzC = 22 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)30 N·mn0​nFL​

Een gelijkstroommotor (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) draait op 240 V. Bij vollast neemt hij 25 A op. Bepaal zijn toerentalregeling SR = (n₀ − nFL)/nFL in procent, als je de nullaststroom verwaarloost.

V = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩIFL = 25 A
SR = %
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
T (N·m)n (rpm)1,5 N·m900 rpm

Een gelijkstroommotor met k = 0,15 V·s/rad en Ra = 0,4 Ω moet een last van 1,5 N·m aandrijven bij 900 rpm. Bepaal de ankerspanning V die hij nodig heeft.

k = 0,15 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 1,5 N·mn = 900 rpm
V = V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
230 VZ7 + j24 ΩI

Een belasting met impedantie Z = 7 + j24 Ω is aangesloten op een eenfasige voeding van 230 V (rms). Vind het schijnbaar vermogen S.

V = 230 VZ = 7 + j24 Ω
S = VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 15 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 240 V, 60 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,98. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 15 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 94%cos φ = 0,86

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 18,5 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 94% en de arbeidsfactor 0,86 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 415 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 18,5 kWη = 94%cos φ = 0,86VL = 415 V
IL = A
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 150 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,65 uit een net van 690 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 = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: IL = 42,67 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 − 48/64 = 0,25

Belastingsstroom

Io = 64/2 = 32 A

Spoelstroom

IL = Io/(1 − D) = 32/0,75 = 42,67 A

Antwoord

IL = 42,67 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 6364 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 = 1 − 12/40 = 0,7

Belastingsstroom

Io = 40/10 = 4 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 4·0,7/(20·10³·22·10⁻⁶) = 6364 mV

Antwoord

ΔVo = 6364 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: SR = 5,495 %

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.

Toerental bij nullast en vollast

n₀ = 60·240/(2π·1,2) = 1910 rpm
nFL = 60·(240 − 25·0,5)/(2π·1,2) = 1810 rpm

Toerentalregeling

SR = (1910 − 1810)/1810·100 = 5,495 %

Antwoord

SR = 5,495 %
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: V = 18,14 V

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

E = 0,15·94,25 = 14,14 V

Ankerstroom

Ia = 1,5/0,15 = 10 A

Ankerspanning

V = 14,14 + 10·0,4 = 18,14 V

Antwoord

V = 18,14 V
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: S = 2116 VA

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| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A

Schijnbaar vermogen

S = V·I = 230·9,2 = 2116 VA

Antwoord

S = 2116 VA
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 63,78 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(36,87°) = 11,25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(11,48°) = 3,046 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,204 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(240·0,98) = 63,78 A

Antwoord

Inew = 63,78 A
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 31,84 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 = 18,5/0,94 = 19,68 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19681/(√3·415·0,86) = 31,84 A

Antwoord

IL = 31,84 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 126,1 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 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 126,1 kvar

Antwoord

QC = 126,1 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics