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 90 V bij 40 kHz met L = 150 µH. Bepaal de piek-piek-rimpelstroom ΔIL door de spoel.

Vin​ = 36 VVo​ = 90 Vf = 40 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.DC-DC-omzettersMoeilijk
tiL​Imax​Io​DTT2T

Een buck-omzetter zet 36 V om in 21,6 V bij 40 kHz met L = 68 µH. Bepaal de kleinste belastingsstroom Io,min waarbij hij in continue geleiding blijft.

Vin​ = 36 VVo​ = 21,6 Vf = 40 kHzL = 68 µH
Io,min = A
3.GelijkstroommotorenGemiddeld
+−48 VRa​ = 1 ΩIa​ = 2 AM+−EωT

Een gelijkstroommotor neemt 2 A op uit een voeding van 48 V. Zijn ankerweerstand is 1 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 3 W. Bepaal zijn rendement η.

V = 48 VIa = 2 ARa = 1 ΩProt = 3 W
η = %
4.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VD = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 300 rpmT = 4,5 N·m

Een gelijkstroomchopper voedt een motor (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) uit een gelijkspanningsbus van 120 V. De gemiddelde ankerspanning is D·120 V. Bepaal de duty cycle D waarmee de motor draait op 300 rpm bij een last van 4,5 N·m.

Vdc = 120 Vk = 0,3 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 4,5 N·mn = 300 rpm
D = %
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 32 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 32 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,75 uit een voeding van 230 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 32 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
240 V50 Hzbelasting20 kW, 0,7C330 µFI = ?

Een eenfasige belasting neemt 20 kW op met een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 240 V, 50 Hz. Parallel aan de belasting wordt een condensator van 330 µF aangesloten. Vind de nieuwe lijnstroom I.

P = 20 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
7.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 400 VIL​ = 100 Acos φ = 0,75inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 100 A op uit een net met een lijnspanning van 400 V. De arbeidsfactor is 0,75 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 400 VIL = 100 Acos φ = 0,75
P = kW
8.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 200 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 0,98 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Oplossingen

1.DC-DC-omzetters

Antwoord: ΔIL = 3,6 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 − 36/90 = 0,6

Spoelspanning tijdens de aan-tijd

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

VL = 36 V

Rimpelstroom

ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,6/(150·10⁻⁶·40·10³) = 3,6 A

Antwoord

ΔIL = 3,6 A
2.DC-DC-omzetters

Antwoord: Io,min = 1,588 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 = 21,6/36 = 0,6

Rimpelstroom

ΔIL = 21,6·0,4/(68·10⁻⁶·40·10³) = 3,176 A

Belastingsstroom op de grens

Io,min = ΔIL/2 = 1,588 A

Antwoord

Io,min = 1,588 A

Onder deze stroom gaat de omzetter over op discontinue geleiding en stijgt Vo boven D·Vin.

3.Gelijkstroommotoren

Antwoord: η = 92,71 %

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 = 48·2 = 96 W
Pdev = 46·2 = 92 W
Pout = 92 − 3 = 89 W

Rendement

η = 89/96·100 = 92,71 %

Antwoord

η = 92,71 %
4.Gelijkstroommotoren

Antwoord: D = 14,1 %

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.

Vereiste ankerspanning

Va = 0,3·31,42 + 15·0,5 = 16,92 V

Duty cycle

D = 16,92/120 = 14,1 %

Antwoord

D = 14,1 %
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 28,22 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(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 32·0,8819 = 28,22 kvar

Antwoord

Q = 28,22 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 102,8 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 = 20·tan(arccos 0,7) = 20,4 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 20,4 − 5,972 = 14,43 kvar

Nieuw schijnbaar vermogen

S2 = √(20² + 14,43²) = 24,66 kVA

Nieuwe lijnstroom

I = S2/V = 24664/240 = 102,8 A

Antwoord

I = 102,8 A
7.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 51,96 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 = √3·400·100 = 69,28 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 69,28·0,75 = 51,96 kW

Antwoord

P = 51,96 kW
8.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 222,6 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 0,78) = 200·0,8023 = 160,5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 119,8 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39948/(377·690²) = 222,6 µF

Antwoord

Cph = 222,6 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics