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
Reken de frequentie om: ω = 2πf.
Bereken elke reactantie: XL = ωL en XC = 1/(ωC).
Tel impedanties op zoals weerstanden, met Z = R + jX.
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
Teken de ankerketen: voeding V, weerstand Ra en de tegen-EMK E in serie.
Gebruik V = E + Ia·Ra om spanning, stroom en tegen-EMK te verbinden.
Gebruik E = k·ω voor het toerental en T = k·Ia voor het koppel, met ω = 2π·n/60.
Begin voor vermogen en rendement bij V·Ia, trek het koperverlies Ia²·Ra af en daarna de rotatieverliezen.
2Oefenopgaven
1.DraaistroomvermogenGemiddeld
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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).
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.