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 12 V om in 3 V voor een belasting van 4 Ω. Hij schakelt met 250 kHz met L = 22 µH. Bepaal de piekspoelstroom Imax.

Vin​ = 12 VVo​ = 3 Vf = 250 kHzL = 22 µHR = 4 Ω
Imax = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tiL​Imax​IL​DTT2T

Een ideale inverterende buck-boost-omzetter zet 24 V om in −56 V voor een belasting van 4 Ω bij 100 kHz. Bepaal de kleinste zelfinductie Lcrit voor continue geleiding.

Vin​ = 24 VVo​ = −56 Vf = 100 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Een gelijkstroommotor met k = 0,08 V·s/rad draait op 24 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.

V = 24 Vk = 0,08 V·s/rad
n0 = rpm
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1,2 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

Een gelijkstroommotor van 240 V heeft een ankerweerstand van 1,2 Ω. Bepaal de serie-aanloopweerstand Rst die de aanloopstroom beperkt tot 15 A.

V = 240 VRa = 1,2 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V18 kW, 0,8213 kW, 1I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 8 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,8 en een verwarmingselement van 13 kW (arbeidsfactor 1). Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 240 VP1 = 8 kW, pf1 = 0,8 inductiefP2 = 13 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
230 V60 Hzbelasting14 kW, 0,7C330 µFI

Een eenfasige belasting neemt 14 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 230 V, 60 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 330 µF aangesloten. Vind de nieuwe arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

P = 14 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M22 kW, η = 90%cos φ = 0,9

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 22 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 90% en de arbeidsfactor 0,9 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 480 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 60 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 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 = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: Imax = 0,9545 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 = 3/12 = 0,25

Gemiddelde stroom en rimpelstroom

Io = 3/4 = 0,75 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,25/(22·10⁻⁶·250·10³) = 0,4091 A

Piekstroom

Imax = 0,75 + 0,4091/2 = 0,9545 A

Antwoord

Imax = 0,9545 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: Lcrit = 1,8 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 = 56/(24 + 56) = 0,7

Grensvoorwaarde

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

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Kritieke zelfinductie

Lcrit = (1 − 0,7)²·4/(2100·10³) = 1,8 µH

Antwoord

Lcrit = 1,8 µH
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n0 = 2865 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 = 24/0,08 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm

Antwoord

n0 = 2865 rpm
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Rst = 14,8 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.

Totale weerstand

Ra + Rst = 240/15 = 16 Ω

Aanloopweerstand

Rst = 16 − 1,2 = 14,8 Ω

Antwoord

Rst = 14,8 Ω

De weerstand wordt stap voor stap uitgeschakeld naarmate de motor sneller draait en de tegen-EMK groeit.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9615

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 = 8·tan(arccos 0,8) = 6 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totalen

P = 8 + 13 = 21 kW
Q = 6 + 0 = 6 kvar
S = √(21² + 6²) = 21,84 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 21/21,84 = 0,9615 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9615
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,8762

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 = 14·tan(arccos 0,7) = 14,28 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·330·10⁻⁶ = 6581 var = 6,581 kvar
Q2 = 14,28 − 6,581 = 7,702 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(14² + 7,702²) = 15,98 kVA

Nieuwe arbeidsfactor

cos φ = P/S2 = 14/15,98 = 0,8762

Antwoord

cos φ = 0,8762
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 32,67 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 = 22/0,9 = 24,44 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·480·0,9) = 32,67 A

Antwoord

IL = 32,67 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 41,49 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Antwoord

QC = 41,49 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics