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 inverterende buck-boost-omzetter zet 15 V om in −45 V bij 25 kHz met L = 330 µH. Bepaal de piek-piek-rimpelstroom ΔIL door de spoel.

Vin​ = 15 VVo​ = −45 Vf = 25 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tiL​Imax​IL​DTT2T

Een ideale inverterende buck-boost-omzetter zet 15 V om in −45 V voor een belasting van 20 Ω bij 25 kHz. Bepaal de kleinste zelfinductie Lcrit voor continue geleiding.

Vin​ = 15 VVo​ = −45 Vf = 25 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
+−48 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 6 AM+−EωT

Een gelijkstroommotor neemt 6 A op uit een voeding van 48 V. Zijn ankerweerstand is 0,25 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 17 W. Bepaal zijn rendement η.

V = 48 VIa = 6 ARa = 0,25 ΩProt = 17 W
η = %
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−24 VRa​ = 0,5 ΩM+−En = ?T = 0,3 N·m

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,15 V·s/rad bij vol veld, Ra = 0,5 Ω, V = 24 V) drijft een constant lastkoppel van 0,3 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 75 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 0,3 N·mΦ = 75 %
n = rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 V15 kW, 0,75228 kW, 0,95I

Twee belastingen zijn parallel aangesloten op een eenfasige voeding van 240 V: een belasting van 5 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,75 en een belasting van 28 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,95. Vind de totale arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

V = 240 VP1 = 5 kW, pf1 = 0,75 inductiefP2 = 28 kW, pf2 = 0,95 inductief
cos φ =
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Een eenfasige belasting neemt 20 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 240 V, 50 Hz. Een parallel geschakelde condensator verhoogt de arbeidsfactor tot 0,95. Vind de nieuwe lijnstroom Inew.

P = 20 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M11 kW, η = 91%cos φ = 0,88

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 11 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 91% en de arbeidsfactor 0,88 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 415 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 11 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 415 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 400 V (lijnspanning), 60 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 = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔIL = 1,364 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 = 45/(15 + 45) = 0,75

Spoelspanning tijdens de aan-tijd

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

VL = 15 V

Rimpelstroom

ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,75/(330·10⁻⁶·25·10³) = 1,364 A

Antwoord

ΔIL = 1,364 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: Lcrit = 25 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 = 45/(15 + 45) = 0,75

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 − 0,75)²·20/(225·10³) = 25 µH

Antwoord

Lcrit = 25 µH
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: η = 90,97 %

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.

Vermogens

Pin = 48·6 = 288 W
Pdev = 46,5·6 = 279 W
Pout = 279 − 17 = 262 W

Rendement

η = 262/288·100 = 90,97 %

Antwoord

η = 90,97 %
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 1924 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.

Verzwakte motorconstante

k₂ = 0,75·0,15 = 0,1125 V·s/rad

Nieuwe ankerstroom

Ia = 0,3/0,1125 = 2,667 A

Nieuw toerental

ω = (24 − 2,667·0,5)/0,1125 = 201,5 rad/s → n = 1924 rpm

Antwoord

n = 1924 rpm

Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9244

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 = 5·tan(arccos 0,75) = 4,41 kvar
Q2 = 28·tan(arccos 0,95) = 9,203 kvar

Totalen

P = 5 + 28 = 33 kW
Q = 4,41 + 9,203 = 13,61 kvar
S = √(33² + 13,61²) = 35,7 kVA

Totale arbeidsfactor

cos φ = P/S = 33/35,7 = 0,9244 inductief

Antwoord

cos φ = 0,9244
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Inew = 87,72 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 = 20·tan(45,57°) = 20,4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,83 kvar

Nieuwe lijnstroom

Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(240·0,95) = 87,72 A

Antwoord

Inew = 87,72 A
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 19,11 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 = 11/0,91 = 12,09 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12088/(√3·415·0,88) = 19,11 A

Antwoord

IL = 19,11 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 270,9 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 49,03 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16343/(377·400²) = 270,9 µF

Antwoord

Cph = 270,9 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics