đề thi môn điện tử công suất có đáp án

CSĐTCS – 24/05/2016 ĐÁP ÁN MÔN KIỂM TRA CUỐI KỲ: CƠ SỞ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Câu 1(1đ): Xét biến đổi điện áp chiều kiểu đảo dòng hình 1a Cho biết nguồn U = 120V, tải có R = 1, E = 80V L Xét mạch trạng thái xác lập 1.1 Giả thiết xung kích S1và S2 có dạng hình 1b Hãy vẽ dạng điện áp ngõ ud vào hình 1c (0.25đ), tìm quan hệ trị trung bình điện áp ngõ Ud với điện áp nguồn U tỉ số điều T chế  = (0.25đ) T 1.2 Hãy tính giá trị γ cần thiết để dịng tải trung bình Id = 20A (0.25đ) cho biết chiều truyền công suất (nguồn → tải tải → nguồn) (0.25đ) S1 D1 ud + U R S2 D2 L - E id (a) U Hình 1.1 Điện áp trung bình ngõ Ud: T T 1 T U d =  ud dt =  U dt = U =  U T T T 1.2 Điện áp trung bình Ud cần thiết để dịng dịng tải trung bình Id = 20A: U d = RI d + E =  20 + 80 = 100V U 100 Suy giá trị cần thiết γ:  = d = = 0.83 U 120 Vì Ud> 0, Id > nên chiều truyền công suất từ nguồn → tải Câu (1.5đ): Xét biến đổi điện áp chiều hình 2a Cho biết nguồn U=200V, tải R+L+E với R = 5, E = 100V L 2.1 Giả thiết xung kích khóa bán dẫn S1→ S4 có dạng hình 2b Hãy vẽ dạng áp tải ud vào hình 2c (0.25đ) tìm quan hệ trị trung bình điện áp ngõ Ud với điện áp ngõ vào U tỉ T số điều chế  = (0.25đ) T 2.2 Giả thiết dịng tải id có dạng hình 2d, chiều dương dịng điện có chiều hình 2a Hãy ghi hình 2e tên linh kiện bán dẫn trạng thái dẫn (ON) khoảng thời gian tương ứng (0.5đ) 2.3 Tính tỉ số điều chế γ cần thiết muốn dịng tải trung bình Id = -10A (0.25đ), cho biết lúc sức điện động E phát hay nhận công suất (0.25đ) 1/12 CSĐTCS – 24/05/2016 T Kích S1, S2 T1 t (b) Kích S3, S4 S1 U D1 + R S4 D4 S3 ud L id t D3 E U ud S2 (c) D2 t U (a) id t D1 D2 S1 S2 D3 D4 S3 S4 (d) (e) Hình 2.1 Điện áp trung bình ngõ Ud: T T T 1 1 T U − (T − T1 )U  T1  U d =  ud dt =  U dt +  ( −U ) dt = =  − 1U = ( 2 − 1)U T T T T1 T  T  2.3 Điện áp trung bình Ud cần thiết để dịng dịng tải trung bình Id = -10A: U d = RI d + E =  ( −10) + 100 = 50V Từ suy tỉ số điều chế cần thiết: 1 U  1 50   = 1 + d  = 1 +  = 0.625 2 U   200  Công suất nguồn sức điện động E lúc này: PE = EI d = 100  ( −10) = −1000W Nguồn sức điện động E trường hợp tải có công suất âm nên phát công suất (Sinh viên lý luận nguồn E phát công suất cách nhận xét: với chiều dương dịng tải cho hình dịng tải trung bình Id = -10A, chiều thực dịng Id lúc ngược với chiều cho hình, nghĩa theo chiều khỏi cực + nguồn E Với dịng điện qua E có chiều vậy, nguồn E trạng thái phát công suất) Câu (0.75đ): Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha (Hình 3a), nguồn áp xoay chiều có phương trình u = 220 sin (100t ) , [V] Tải trở R= 10 Góc điều khiển (phương pháp điều khiển pha) biến đổi  = 2/5 [rad] 3.1 Vẽ giản đồ áp tải uz sở đồ thị áp nguồn u cho hình 3b (0.25đ) 2/12 CSĐTCS – 24/05/2016 u 400 200 -200 -400 a) 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02 Time (s) b) Hình 3.2 Dẫn giải cơng thức liên quan trị trung bình dịng qua linh kiện iV1 góc điều khiển  (0.5đ) Xét chu kỳ dịng qua linh kiện V1 [0…2] góc     [rad] ta có phương trình: uz u  = ,   t   iV = i z = R R  iV = ,  t   ;   t  2 với u = 220 sin (100t ) Áp dụng cơng thức tích phân để tính trị trung bình, ta có :  220 IV = sin (100t )d (t ) 2  10 = 11  (cos  + 1) Câu (1đ): Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha (hình 4a), nguồn áp xoay chiều có phương trình u = 220 sin (100t ) , [V] Tải cảm L= 0.05H Áp linh kiện V1 có dạng sóng hình 4b Xét mạch xác lập 4.1 Vẽ giản đồ áp tải uz lên hình 4b (0.5đ) 4.2 Dẫn giải cơng thức xác định trị hiệu dụng áp tải L (uz) góc điều khiển  (0.5đ) 3/12 CSĐTCS – 24/05/2016 uV1 400 200 -200 -400 a) 0.06 0.065 0.07 Time (s) 0.075 0.08 b) Hình Xét chu kỳ áp tải uz [0…2] góc     [rad] ta có hai trường hợp : Khi    /2 [rad], dòng tải liên tục nên áp tải uz = u = 220 sin (100t ) Khi trị hiệu dụng áp tải khơng phụ thuộc góc điều khiển  có giá trị Uz = U = 220 V Khi /2     [rad], dòng tải gián đoạn nên áp tải có phương trình : u z = u ,  t   −  ;   t  2 −  ;  +   t  2 ;  u z = ,  -   t   ;2 −   t   +  ; với u = 220 sin (100t ) Áp dụng cơng thức tích phân để tính trị hiệu dụng, ta có : Uz =   (220 2 − ) sin (100t ) d (t )  = 220 −  sin (2 ) +  2 Câu (1.25đ): Thiết kế biến đổi DC-DC dạng Buck (Hình 5) cung cấp điện áp ngõ Vo có giá trị trung bình 10V cấp cho tải R = 2 Điện áp ngõ vào Vs=12V Độ nhấp nhô điện áp ngõ (Vo/Vo %) không vượt 5% Chọn tần số đóng cắt Mosfet f= 40kHz Thiết kế cho dòng qua cuộn kháng liên tục Giả thiết linh kiện lý tưởng mạch vận hành xác lập 5.1 Tính tỷ số đóng D (0.25đ) 4/12 CSĐTCS – 24/05/2016 i L (ON ) + i L ( OFF ) = V s − V0 V  DT −  (1 − D )T = L L  V0 = V s  D D= Vo 10 = = Vs 12 5.2 Nêu công thức xác định mối liên quan biến thông số L, C với điều kiện thiết kế yêu cầu gồm iLmin, Vo/Vo % thông số khác R, f, D, Vs (0.5đ) I L = I L −  I L i L V0 V0  = −  (1 − D )T  R 2 L   (1 − D )  = V0  − Lf  R (1) Q C  T  i  T  i L Q =   L  =    (2) V0 1− D  = V0 LC  f 5.3 Từ câu 5.2, trình bày cách xác định giá trị tối thiểu L C tính tốn giá trị (0.5đ) V0 = Từ (1) giá trị Lmin để dòng IL liên tục: ILmin =  Lmin = (1 − D )R 2f Thay giá trị vào ta có : Lmin  5 1 − 10 6 = = mH  20.83uH 48  40.10 Từ (2), theo điều kiện thiết kế độ nhấp nhô điện áp ngõ (Vo/Vo %) không vượt 5%, giá trị Lmin tính được, ta suy giá trị Cmin : C = 1− D Lmin  f  V0 V0 5/12 CSĐTCS – 24/05/2016 =  12.5F  20,83  10 −6  40 2.10  0.05 1− Thay giá trị vào ta có : C (Lưu ý : Sinh viên chọn Lmin nhân thêm hệ số dự trữ (10-20%) tính Cmin sở L thiết kế có dự phịng điểm tối đa.) Hình Câu (1đ): Cho nghịch lưu áp cầu pha có dạng hình 6a với q trình điện áp dịng điện tải hình 6b Linh kiện theo qui ước có chiều dẫn điện dương Khóa S gồm Transistor T mắc đối song với Diode D Vẽ theo thời gian theo tỉ lệ đồ thị sau đây: 6.1 Đồ thị xung kích khóa S1,S2,S3,S4 hình 6c) (0.5đ) 6.2 Đồ thị dịng điện qua Transistor T3 (vẽ tơ đậm) đồ thị hình 6b) (0.5đ) Hình 6/12 CSĐTCS – 24/05/2016 Câu (1đ): Cho nghịch lưu áp cầu pha hình 6a với kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM sin.Giả thiết, S1=S2 S3=S4 Trên hình 7a) đồ thị sóng điều khiển sin sóng mang tam giác (peak to peak )=(-1 to +1) 7.1 Vẽ đồ thị xung kích cho khóa bán dẫn theo trục thời gian hình 7b) (0.5đ) 7.2 Giả sử tải trở R, vẽ theo trục thời gian đồ thị dòng điện qua transistor T1 hình 7c) (0.5đ) 7/12 CSĐTCS – 24/05/2016 Hình Câu (2.5đ): Cho nghịch lưu áp pha hình 8a Kỹ thuật PWM sóng mang Giả thiết tải ba pha đối xứng dạng Y 8.1 Dẫn giải công thức xác định điện áp tức thời vAG, vBG,vCG theo trạng thái khóa S1,S3,S5 điện áp nguồn Vd (0.5đ) Đáp án: vAG=vAO+vOG=S1*Vd-Vd/2 vBG=vBO+vOG=S3*Vd-Vd/2 vCG=vCO+vOG=S5*Vd-Vd/2 8/12 CSĐTCS – 24/05/2016 8.2 Dẫn giải công thức xác định điện áp tức thời vAN, vBN,vCN theo trạng thái khóa S1,S3,S5 điện áp nguồn Vd (0.5đ) Đáp án: vAO=vAN+vNO=S1*Vd (1) vBO=vBN+vNO=S3*Vd (2) vCO=vCN+vNO=S5*Vd (3) Tải 3f đối xứng nên vAN+vBN+vCN=0 Cộng pt (1),(2),(3) rút gọn: vNO=(S1+S3+S5)*Vd (4) Thế (4) vào) (1),(2),(3) rút gọn, thu được: vAN=(2*S1-S3-S5)*Vd/3 vBN=(2*S3-S5-S1)*Vd/3; vCN=(2*S5-S1-S3)*Vd/3; 8.3 Cho biết đại lượng áp điều khiển pha A vdkA, chu kỳ sóng tam giác Ts Áp dụng cho Ts=100uS; vdk= +0.7; Vd=500V Xác định đồ thị điện áp vAG chu kỳ lấy mẫu hình 8c) (0.25đ) Xác định trị trung bình áp VAG (0.5đ) Đáp án: a) Điện áp vAG=vAO+vOG=S1*Vd-Vd/2 (1) Vẽ xung kích S1 từ giao điểm song vdkA với sóng tam giác Từ đó, theo (1) vẽ vAG b) Trị trung bình: VAO=(vdkA+1)*Vd/2=(0.7+1)*500/2=425V VAG=425-500/2=175V 8.4 Cho biết đại lượng áp điều khiển pha A,B,C vdkA >vdkC>vdkB, chu kỳ sóng tam giác Ts Áp dụng cho Ts=100uS, vdkA= + 0.75; vdkB= - 0.5; vdkC= -0.25 Vẽ vdkA, vdkB, vdkC đồ thị sóng mang tam giác hình 8b) (0.25đ) Vẽ dạng điện áp pha tải vAN hình 8d) (0.5đ) 9/12 CSĐTCS – 24/05/2016 10/12 CSĐTCS – 24/05/2016 Hình o0o - Các câu dùng để đánh giá đạt PI a2 : 10 câu 1.2 2.3 3.2 4.2 5.2, 5.3 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 Sinh viên đạt 0-25% : Mức : Yếu 25-50% : Mức : Trung bình 50-75% : Mức : Khá 75-100% : Mức : Tốt 11/12 CSĐTCS – 24/05/2016 12/12 ... cần thi? ??t: 1 U  1 50   = 1 + d  = 1 +  = 0.625 2 U   200  Công suất nguồn sức điện động E lúc này: PE = EI d = 100  ( −10) = −1000W Nguồn sức điện động E trường hợp tải có cơng suất. .. khỏi cực + nguồn E Với dòng điện qua E có chiều vậy, nguồn E trạng thái phát công suất) Câu (0.75đ): Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha (Hình 3a), nguồn áp xoay chiều có phương trình u = 220 sin... thuật PWM sóng mang Giả thi? ??t tải ba pha đối xứng dạng Y 8.1 Dẫn giải công thức xác định điện áp tức thời vAG, vBG,vCG theo trạng thái khóa S1,S3,S5 điện áp nguồn Vd (0.5đ) Đáp án: vAG=vAO+vOG=S1*Vd-Vd/2