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​ΔI = ?DTT2T

Een ideale boost-omzetter zet 48 V om in 80 V bij 200 kHz met L = 100 µH. Bepaal de piek-piek-rimpelstroom ΔIL door de spoel.

Vin​ = 48 VVo​ = 80 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
+−12 VSLC = 470 µFR = 50 Ω−+−8 V

Een ideale buck-boost-omzetter zet 12 V om in −8 V voor een belasting van 50 Ω bij 25 kHz. De uitgangscondensator is 470 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 12 VVo​ = −8 Vf = 25 kHzC = 470 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)0,8 N·mn0​nFL​

Een gelijkstroommotor (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 2 Ω) draait op 48 V. Bij vollast neemt hij 2 A op. Bepaal zijn toerentalregeling SR = (n₀ − nFL)/nFL in procent, als je de nullaststroom verwaarloost.

V = 48 Vk = 0,4 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 2 A
SR = %
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 4 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 = 4 Ω
Pmax = W
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
230 V113 kW, 0,8225 kW, 0,7I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 230 V: een belasting van 13 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,8 en een belasting van 25 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,7. Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 230 VP1 = 13 kW, pf1 = 0,8 inductiefP2 = 25 kW, pf2 = 0,7 inductief
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
230 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Een bron van 230 V (rms), 1000 Hz heeft een inwendige impedantie Zs = 4 + j20 Ω. De belastingsimpedantie ZL kan vrij worden gekozen. Vind het maximale werkelijk vermogen Pmax dat aan de belasting kan worden geleverd.

Vs = 230 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j20 Ω
Pmax = W
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ωper fase

Een symmetrische, in driehoek geschakelde belasting met een impedantie van 20 + j15 Ω per fase is aangesloten op een symmetrisch draaistroomnet met een lijnspanning van 415 V. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω per fase
P = kW
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 50 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 690 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔIL = 0,96 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 − 48/80 = 0,4

Spoelspanning tijdens de aan-tijd

Zolang S aan staat, ligt de spoel direct over Vin.

VL = 48 V

Rimpelstroom

ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,4/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,96 A

Antwoord

ΔIL = 0,96 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 5,447 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 = 8/(12 + 8) = 0,4

Belastingsstroom

Io = 8/50 = 0,16 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 0,16·0,4/(25·10³·470·10⁻⁶) = 5,447 mV

Antwoord

ΔVo = 5,447 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: SR = 9,091 %

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 = 60·48/(2π·0,4) = 1146 rpm
nFL = 60·(48 − 2·2)/(2π·0,4) = 1050 rpm

Toerentalregeling

SR = (1146 − 1050)/1050·100 = 9,091 %

Antwoord

SR = 9,091 %
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 144 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/(4·4) = 144 W

Antwoord

Pmax = 144 W

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

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,7331

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 = 13·tan(arccos 0,8) = 9,75 kvar
Q2 = 25·tan(arccos 0,7) = 25,51 kvar

Totalen

P = 13 + 25 = 38 kW
Q = 9,75 + 25,51 = 35,26 kvar
S = √(38² + 35,26²) = 51,84 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 38/51,84 = 0,7331 inductief

Antwoord

cos φ = 0,7331
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Pmax = 3306 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* = 4 − j20 Ω

Maximaal vermogen

I = Vs/(2Rs) = 230/8 = 28,75 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·4) = 3306 W

Antwoord

Pmax = 3306 W
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 16,53 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.

Fasespanning

Vph = VL = 415 V

Fasestroom

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Totaal werkelijk vermogen

Alleen het resistieve deel van elke impedantie neemt werkelijk vermogen op.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW

Antwoord

P = 16,53 kW

Controle: cos φ = R/|Z| = 0,8, en √3·VL·IL·cos φ geeft hetzelfde vermogen.

8.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 91,05 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 40,86 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13619/(314,2·690²) = 91,05 µF

Antwoord

Cph = 91,05 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics