Energiesystemen en elektrische machines: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 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

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

Transformatoren

Wikkelverhouding
a = N1/N2 = V1/V2
Stroomverhouding
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Nominale stroom
I = S/V
Overgebrachte impedantie
Z1′ = a²·ZL
Koperverlies bij deellast
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendement
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Maximaal rendement
x = √(Pcore/Pcu,fl)

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)

Wisselstroomimpedantie en fasoren

Impedanties
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Hoekfrequentie
ω = 2πf
Modulus en hoek
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Wet van Ohm met fasoren
V = I·Z

Methode

  1. Reken de frequentie om: ω = 2πf.
  2. Bereken elke reactantie: XL = ωL en XC = 1/(ωC).
  3. Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
  4. Bereken de grootte |Z| = √(R² + X²) en de hoek φ = atan(X/R), en gebruik daarna de wet van Ohm met fasoren.

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.

2Oefenopgaven

1.DraaistroomvermogenGemiddeld
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M37 kW, η = 91%cos φ = 0,9

Een driefasige inductiemotor levert bij vollast 37 kW mechanisch vermogen. Bij deze belasting is het rendement 91% en de arbeidsfactor 0,9 inductief. Het net heeft een lijnspanning van 480 V. Vind de lijnstroom IL.

Pout = 37 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
2.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 250 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,78 uit een net van 415 V (lijnspanning), 60 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,9 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 250 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformatorenGemiddeld
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

Een eenfasetransformator van 500 kVA, 7200/240 V werkt bij nominale belasting. Beschouw hem als ideaal. Vind de stroom IHV in de hoogspanningswikkeling.

S = 500 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
4.TransformatorenMoeilijk
pf 0,8100 kVA, 75% belasting

Een eenfasetransformator van 100 kVA heeft een ijzerverlies van 800 W en een koperverlies van 2000 W bij nominale belasting. Hij levert 75% van zijn nominale kVA bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8. Vind de totale verliezen Ploss in watt bij deze belasting.

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 2000 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 4 kWQ = ?Sφ

Een eenfasige motor neemt 4 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,85 uit een voeding van 230 V. Vind het blindvermogen Q dat hij opneemt.

P = 4 kWpf = 0,85V = 230 V
Q = kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 56 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 200 kVA voedt een belasting van 56 kW met een inductieve arbeidsfactor van 0,85. Hoeveel extra werkelijk vermogen ΔP kan er als resistieve belasting (arbeidsfactor 1) worden bijgeplaatst voordat de transformator zijn nominale kVA bereikt?

Smax = 200 kVAP1 = 56 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
Vf0​ = 5000 HzRL = 1 mHC = ?

Een serie-RLC-schakeling met L = 1 mH moet resoneren bij 5000 Hz. Vind de benodigde capaciteit C.

f0 = 5000 HzL = 1 mH
C = µF
8.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
100 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF+−VC​

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 100 V (rms), 500 Hz. Vind de effectieve spanning VC over de condensator.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF
VC = V
9.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)4 N·mn0​n = ?

Een gelijkstroommotor (k = 1 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) draait op 110 V en drijft een lastkoppel van 4 N·m aan. Bepaal zijn toerental n in rpm.

V = 110 Vk = 1 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 4 N·m
n = rpm
10.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−110 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 12 → 3 AM+−En = ?T

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor op 110 V (Ra = 1,2 Ω) draait met 1500 rpm bij een ankerstroom van 12 A. De belasting verandert en de stroom wordt 3 A, terwijl het veld gelijk blijft. Bepaal het nieuwe toerental n2.

V = 110 VRa = 1,2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 12 AIa2 = 3 A
n2 = rpm

3Oplossingen

1.Draaistroomvermogen

Antwoord: IL = 54,34 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 = 37/0,91 = 40,66 kW

Lijnstroom

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 40659/(√3·480·0,9) = 54,34 A

Antwoord

IL = 54,34 A
2.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 408,1 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 = 250·tan(acos 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 79,49 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 26497/(377·415²) = 408,1 µF

Antwoord

Cph = 408,1 µF
3.Transformatoren

Antwoord: IHV = 69,44 A

Ideale transformator: de spanningen verhouden zich als de windingaantallen en de stromen omgekeerd: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a en I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, dus het opgenomen vermogen is gelijk aan het afgegeven vermogen, V₁·I₁ = V₂·I₂. Een belastingsimpedantie Z aan de secundaire kant lijkt vanaf de primaire kant a²·Z.

Nominale stroom

Beide wikkelingen voeren hetzelfde schijnbaar vermogen.

IHV = S/V = 500000/7200 = 69,44 A

Antwoord

IHV = 69,44 A
4.Transformatoren

Antwoord: Ploss = 1925 W

Transformatorverliezen: het ijzerverlies (hysterese en wervelstromen) hangt af van de spanning en is bij elke belasting gelijk. Het koperverlies in de wikkelingen gaat met het kwadraat van de stroom, dus bij een fractie x van de nominale belasting is het x²·Pcu,fl. Rendement η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), met Pout = x·S·pf. Het rendement is het hoogst bij de belasting waarbij het koperverlies gelijk is aan het ijzerverlies.

Koperverlies bij deze belasting

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·2000 = 1125 W

Totale verliezen

Het ijzerverlies is bij elke belasting gelijk.

Ploss = 800 + 1125 = 1925 W

Antwoord

Ploss = 1925 W

Het rendement bij deze belasting is η = 96,89%.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: Q = 2,479 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Blindvermogen

Q = P·tan φ = 4·0,6197 = 2,479 kvar

Antwoord

Q = 2,479 kvar
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 141 kW

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 de bestaande belasting

Q1 = 56·tan(arccos 0,85) = 34,71 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

Bij volle belasting is S = Smax, en Q verandert niet door de resistieve belasting.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 34,71²) = 197 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 197 − 56 = 141 kW

Antwoord

ΔP = 141 kW
7.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: C = 1,013 µF

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Resonantievoorwaarde

Bij resonantie heffen de inductieve en capacitieve reactantie elkaar op: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(31416²·0,001) = 1,013 µF

Antwoord

C = 1,013 µF
8.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: VC = 4,432 V

Wisselstroom met fasoren: weerstanden, spoelen en condensatoren hebben impedanties R, jωL en 1/(jωC), met ω = 2πf. In serie tellen impedanties op zoals weerstanden, maar dan als complexe getallen. Effectieve stroom en spanning volgen de wet van Ohm met |Z|.

Reactanties

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Impedantie

In serie tellen impedanties op als complexe getallen: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (59,65)²) = 71,82 Ω

Stroom

Door elk element van een serieschakeling loopt dezelfde stroom.

I = V/|Z| = 100/71,82 = 1,392 A

Spanning over de condensator

VC = I·XC = 1,392·3,183 = 4,432 V

Antwoord

VC = 4,432 V
9.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 993,1 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 = 4/1 = 4 A

Tegen-EMK en toerental

E = 110 − 4·1,5 = 104 V
ω = E/k = 104 rad/s → n = 993,1 rpm

Antwoord

n = 993,1 rpm
10.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n2 = 1669 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.

Tegen-EMK ervoor en erna

E1 = 110 − 12·1,2 = 95,6 V
E2 = 110 − 3·1,2 = 106,4 V

Nieuw toerental

n2 = 1500·106,4/95,6 = 1669 rpm

Antwoord

n2 = 1669 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems