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​ = 690 VIL​ = 25 Acos φ = 0,8inductief

Een symmetrische driefasige belasting neemt een lijnstroom van 25 A op uit een net met een lijnspanning van 690 V. De arbeidsfactor is 0,8 inductief. Vind het totale werkelijk vermogen P dat de belasting opneemt, in kW.

VL = 690 VIL = 25 Acos φ = 0,8
P = kW
2.DraaistroomvermogenMoeilijk
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Een symmetrische driefasige belasting neemt 50 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een net van 400 V (lijnspanning), 50 Hz. Een driefasige condensatorbank parallel aan de belasting moet de totale arbeidsfactor verhogen tot 0,95 inductief. Het werkelijk vermogen blijft gelijk. De condensatoren zijn in driehoek geschakeld. Vind de capaciteit Cph van elke condensator in µF.

P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformatorenGemiddeld
10 ΩN1​N2​360 Ω

Een versterker met een uitgangsweerstand van 360 Ω stuurt via een ideale transformator een luidspreker van 10 Ω aan. Voor maximale vermogensoverdracht moet de luidspreker er vanaf de versterker uitzien als 360 Ω. Vind de wikkelverhouding a = N₁/N₂.

Rs = 360 ΩRL = 10 Ω
a =
4.TransformatorenMoeilijk
pf 0,8250 kVA, 25% belasting

Een eenfasetransformator van 250 kVA heeft een ijzerverlies van 1500 W en een koperverlies van 2250 W bij nominale belasting. Hij levert 25% van zijn nominale kVA bij een inductieve arbeidsfactor van 0,8. Vind de totale verliezen Ploss in watt bij deze belasting.

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorGemiddeld
P = 8 kWQSφ

Een eenfasige motor neemt 8 kW op bij een inductieve arbeidsfactor van 0,7 uit een voeding van 230 V. Vind de lijnstroom I.

P = 8 kWpf = 0,7V = 230 V
I = A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactorMoeilijk
P1​ = 92 kWQ1​S1​φ

Een eenfasige transformator van 150 kVA voedt een belasting van 92 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 = 150 kVAP1 = 92 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Wisselstroomimpedantie en fasorenGemiddeld
50 V500 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

Een serie-RLC-schakeling is aangesloten op een voeding van 50 V (rms), 500 Hz. Vind het werkelijk vermogen P dat uit de voeding wordt opgenomen.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µF
P = W
8.Wisselstroomimpedantie en fasorenMoeilijk
VfR = 100 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF

Een serie-RLC-schakeling heeft R = 100 Ω, L = 50 mH en C = 0,1 µF. Vind de kwaliteitsfactor Q bij resonantie.

R = 100 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF
Q =
9.GelijkstroommotorenGemiddeld
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Een gelijkstroommotor met k = 0,12 N·m/A en Ra = 0,2 Ω is aangesloten op 48 V. Bepaal zijn blokkeerkoppel Tstall, het koppel bij toerental nul.

V = 48 Vk = 0,12 N·m/ARa = 0,2 Ω
Tstall = N·m
10.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−110 VRa​ = 1,5 ΩIa​: 8 → 4,8 AM+−En = ?T

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor op 110 V (Ra = 1,5 Ω) draait met 1500 rpm bij een ankerstroom van 8 A. De belasting verandert en de stroom wordt 4,8 A, terwijl het veld gelijk blijft. Bepaal het nieuwe toerental n2.

V = 110 VRa = 1,5 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 8 AIa2 = 4,8 A
n2 = rpm

3Oplossingen

1.Draaistroomvermogen

Antwoord: P = 23,9 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 = √3·690·25 = 29,88 kVA

Werkelijk vermogen

P = S·cos φ = 29,88·0,8 = 23,9 kW

Antwoord

P = 23,9 kW
2.Draaistroomvermogen

Antwoord: Cph = 229,3 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Blindvermogen van de condensatoren

QC = Q1 − Q2 = 34,58 kvar

Capaciteit per fase

In een driehoeksbank is elke condensator aangesloten tussen twee lijnen.

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11525/(314,2·400²) = 229,3 µF

Antwoord

Cph = 229,3 µF
3.Transformatoren

Antwoord: a = 6

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.

Pas de overgebrachte belasting aan

a²·10 = 360
a = √(360/10) = √36 = 6

Antwoord

a = 6
4.Transformatoren

Antwoord: Ploss = 1641 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 = 0,0625·2250 = 140,6 W

Totale verliezen

Het ijzerverlies is bij elke belasting gelijk.

Ploss = 1500 + 140,6 = 1641 W

Antwoord

Ploss = 1641 W

Het rendement bij deze belasting is η = 96,82%.

5.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: I = 49,69 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.

Lijnstroom

Alleen het werkelijke deel van het vermogen doet werk, dus deel door de arbeidsfactor.

I = P/(V·cos φ) = 8000/(230·0,7) = 49,69 A

Antwoord

I = 49,69 A
6.Wisselstroomvermogen en arbeidsfactor

Antwoord: ΔP = 46,74 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 = 92·tan(arccos 0,85) = 57,02 kvar

Grootste totale werkelijk vermogen

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 57,02²) = 138,7 kW

Extra werkelijk vermogen

ΔP = 138,7 − 92 = 46,74 kW

Antwoord

ΔP = 46,74 kW
7.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: P = 0,9004 W

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

XL = 471,2 Ω, XC = 6,773 Ω

Impedantie

|Z| = √(80² + (464,5)²) = 471,3 Ω

Werkelijk vermogen

Spoelen en condensatoren slaan alleen energie op en geven die terug; de weerstand neemt al het werkelijk vermogen op.

I = 50/471,3 = 0,1061 A
P = I²·R = 0,1061²·80 = 0,9004 W

Antwoord

P = 0,9004 W
8.Wisselstroomimpedantie en fasoren

Antwoord: Q = 7,071

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|.

Resonantiefrequentie

f0 = 1/(2π·√(0,05·0,1·10⁻⁶)) = 2251 Hz

Kwaliteitsfactor

Q vergelijkt de reactantie bij resonantie met de weerstand: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,05/(0,1·10⁻⁶)) = 7,071

Antwoord

Q = 7,071
9.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Tstall = 28,8 N·m

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.

Blokkeerstroom

Ia = V/Ra = 48/0,2 = 240 A

Blokkeerkoppel

Tstall = 0,12·240 = 28,8 N·m

Antwoord

Tstall = 28,8 N·m
10.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n2 = 1573 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 − 8·1,5 = 98 V
E2 = 110 − 4,8·1,5 = 102,8 V

Nieuw toerental

n2 = 1500·102,8/98 = 1573 rpm

Antwoord

n2 = 1573 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems