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
+−12 VSL = ?CR+−9 V

Een ideale buck-omzetter zet 12 V om in 9 V bij een schakelfrequentie van 25 kHz. Bepaal de zelfinductie L die de piek-piek-rimpelstroom door de spoel op 0,6 A houdt.

Vin​ = 12 VVo​ = 9 Vf = 25 kHzΔIL = 0,6 A
L = µH
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tiL​Imax​IL​DTT2T

Een ideale buck-omzetter zet 24 V om in 12 V voor een belasting van 50 Ω bij 50 kHz. Bepaal de kleinste zelfinductie Lcrit voor continue geleiding.

Vin​ = 24 VVo​ = 12 Vf = 50 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Een gelijkstroommotor met k = 0,15 V·s/rad draait op 48 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/rad
n0 = rpm
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 2,5 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 2,5 Ω en draait op 48 V. Bepaal het grootste mechanische vermogen Pmax dat hij bij enig toerental kan ontwikkelen, als je rotatieverliezen verwaarloost.

V = 48 VRa = 2,5 Ω
Pmax = W
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 35 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 35 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 230 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 35 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
100 V50 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Een bron van 100 V (rms), 50 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 20 + j30 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 20 + j30 Ω
Pmax = W
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = 60 Acos φ = 0,9inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 60 A op uit een net met een lijnspanning van 415 V. De arbeidsfactor is 0,9 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VIL = 60 Acos φ = 0,9
P = kW
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 200 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,72 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,92 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in ster geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: L = 150 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 = 9/12 = 0,75

Zelfinductie

L = 3·0,75/(0,6·25·10³) = 150 µH

Antwoord

L = 150 µH
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: Lcrit = 250 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 = 12/24 = 0,5

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 − 0,5)·50/(250·10³) = 250 µH

Antwoord

Lcrit = 250 µH
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n0 = 3056 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 = 48/0,15 = 320 rad/s
n0 = 60·320/(2π) = 3056 rpm

Antwoord

n0 = 3056 rpm
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 230,4 W

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.

Vermogen als functie van de tegen-EMK

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Maximaal vermogen

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·2,5) = 230,4 W

Antwoord

Pmax = 230,4 W

Op dit punt is het rendement slechts 50 %, dus echte motoren draaien ruim boven het halve toerental.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 26,25 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 = 35·0,75 = 26,25 kvar

Antwoord

Q = 26,25 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 125 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* = 20 − j30 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 100/40 = 2,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·20) = 125 W

Antwoord

Pmax = 125 W
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 38,82 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 = √3·415·60 = 43,13 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 43,13·0,9 = 38,82 kW

Antwoord

P = 38,82 kW
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 1657 µF

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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 107,6 kvar

Capaciteit per fase

In een sterbank is elke condensator aangesloten tussen een lijn en het sterpunt.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 35857/(377·239,6²) = 1657 µF

Antwoord

Cph = 1657 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics