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 36 V om in 48 V bij 200 kHz met L = 220 µH. Bepaal de piek-piek-rimpelstroom ΔIL door de spoel.

Vin​ = 36 VVo​ = 48 Vf = 200 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
+−36 VSLC = 47 µFR = 2 Ω−+−84 V

Een ideale buck-boost-omzetter zet 36 V om in −84 V voor een belasting van 2 Ω bij 100 kHz. De uitgangscondensator is 47 µF. Bepaal de piek-piek-rimpel ΔVo van de uitgangsspanning in mV.

Vin​ = 36 VVo​ = −84 Vf = 100 kHzC = 47 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)15 N·mn0​n = ?

Een gelijkstroommotor (k = 1,5 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) draait op 110 V en drijft een lastkoppel van 15 N·m aan. Bepaal zijn toerental n in rpm.

V = 110 Vk = 1,5 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 15 N·m
n = rpm
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 2,4 N·m

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,6 V·s/rad bij vol veld, Ra = 1,5 Ω, V = 120 V) drijft een constant lastkoppel van 2,4 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 85 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.

V = 120 Vk = 0,6 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 2,4 N·mΦ = 85 %
n = rpm
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
240 VR + jXP = 2688 W16 A

Een inductieve belasting neemt 16 A en 2688 W op uit een eenfasige voeding van 240 V (rms). Modelleer haar als een weerstand R in serie met een reactantie X. Vind X.

V = 240 VI = 16 AP = 2688 W
X = Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
400 V60 Hzbelasting21 kW, 0,8C220 µFI

Een eenfasige belasting neemt 21 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,8 uit een voeding van 400 V, 60 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 220 µF aangesloten. Vind de nieuwe arbeidsfactor cos φ die de voeding ziet.

P = 21 kWpf1 = 0,8V = 400 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 90%cos φ = 0,9

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 18,5 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 90% en de arbeidsfactor 0,9 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 415 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 18,5 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Een symmetrische driefasige belasting neemt 50 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,78 uit een net van 690 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 = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔIL = 0,2045 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 − 36/48 = 0,25

Spoelspanning tijdens de aan-tijd

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

VL = 36 V

Rimpelstroom

ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,25/(220·10⁻⁶·200·10³) = 0,2045 A

Antwoord

ΔIL = 0,2045 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔVo = 6255 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 = 84/(36 + 84) = 0,7

Belastingsstroom

Io = 84/2 = 42 A

Uitgangsrimpel

ΔVo = 42·0,7/(100·10³·47·10⁻⁶) = 6255 mV

Antwoord

ΔVo = 6255 mV
3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 668,5 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.

Ankerstroom

Ia = T/k = 15/1,5 = 10 A

Tegen-EMK en toerental

E = 110 − 10·0,5 = 105 V
ω = E/k = 70 rad/s → n = 668,5 rpm

Antwoord

n = 668,5 rpm
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 2115 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 = 0,85·0,6 = 0,51 V·s/rad

Nieuwe ankerstroom

Ia = 2,4/0,51 = 4,706 A

Nieuw toerental

ω = (120 − 4,706·1,5)/0,51 = 221,5 rad/s → n = 2115 rpm

Antwoord

n = 2115 rpm

Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: X = 10,71 Ω

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.

Weerstand uit het werkelijk vermogen

R = P/I² = 2688/16² = 10,5 Ω

Reactantie uit de impedantie

|Z| = V/I = 240/16 = 15 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(15² − 10,5²) = 10,71 Ω

Antwoord

X = 10,71 Ω
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: cos φ = 0,9931

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 = 21·tan(arccos 0,8) = 15,75 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·220·10⁻⁶ = 13270 var = 13,27 kvar
Q2 = 15,75 − 13,27 = 2,48 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(21² + 2,48²) = 21,15 kVA

Nieuwe arbeidsfactor

cos φ = P/S2 = 21/21,15 = 0,9931

Antwoord

cos φ = 0,9931
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 31,77 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 = 18,5/0,9 = 20,56 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20556/(√3·415·0,9) = 31,77 A

Antwoord

IL = 31,77 A
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: QC = 23,68 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 23,68 kvar

Antwoord

QC = 23,68 kvar

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics