đề thi môn điện tử công suất có đáp án2

CSĐTCS – 25/05/2017 ĐÁP ÁN ĐỀ KIỂM TRA CUỐI KỲ MÔN CƠ SỞ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2017 Câu (1đ): Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha (Hình 1a), nguồn áp xoay chiều có phương trình u ( t ) = 2U sin (ω t ) [V] Tải trở R Mạch sử dụng phương pháp điều khiển pha với góc điều khiển biến đổi α[rad] 1.1 Giản đồ áp tải uz hình 1b α = 4π [rad] (0.5đ) a) b) Hình 1.2 (PI) Sử dụng phân tích Fourier để dẫn giải công thức xác định biên độ hài áp tải (U1m) theo 4π U α Áp dụng cơng thức tìm để tính giá trị U1m khi: U=220V, f=50Hz, α = rad (0.5đ) a) Các hệ số phân tích Fourier: a0 = ; π 2π  1 ⋅U  a1 =  ∫ 2U sin ( x ) cos(x )dx + ∫ 2U sin ( x ) cos(x )dx  = − sin (α ) π α π π +α  hàm tương đương ví dụ a1 = ⋅U (cos(2α ) − 1) 2π π 2π  1  b1 =  ∫ 2U sin ( x )dx + ∫ 2U sin ( x )dx  = π α π +α  ⋅U  sin (2α )  π − α +  π   ⋅U (π − α + sin α ⋅ cos α ) π ⋅U Biên độ hài áp tải U1m : U 1m = a12 + b12 = sin (α ) + (π − α + sin α ⋅ cos α ) π 4π b) Áp dụng U=220V, f=50Hz, α = rad, suy U1m ≈ 37.41V hàm tương đương ví dụ b1 = 1/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Câu (1đ): Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha (hình 2a), nguồn áp xoay chiều có phương trình u(t ) = 2U sin (ω t ) [V] Tải cảm L[H] Mạch sử dụng phương pháp điều khiển pha với góc điều khiển α với α> π/2 [rad] Xét mạch chế độ xác lập 2.1.(PI) Dẫn giải cơng thức xác định dịng tải tức thời iz(ωt) theo thông số cho 3π Tính giá trị cực đại dịng tải Iz U=220V, f = 50Hz, L=0.1H, α = rad (0.5đ) a) Cơng thức xác định dịng tải tức thời : Dạng dòng tải xác lập (để minh hoạ): Xét chu kỳ dịng tải [α 2π+α], khóa Thyristor đóng, dịng tải xác định từ phương trình : di L z = 2U sin (ω t ) , khố ngắt dịng tải Từ suy ra: dt ωt i z (ω t ) = 2U 2U (cos(α ) − cos(ωt )); sin (ω t )d (ω t ) = ∫ ωL α ωL i z (ω t ) = 2U 2U (− cos(α ) − cos(ω t )); sin (ω t )d (ω t ) ∫ ω L π +α ωL α ≤ ω t ≤ 2π − α , [rad ] ωt i z (ωt ) = 0; π + α ≤ ω t ≤ 3π − α ,[rad ] 2π − α ≤ ω t ≤ π + α ,3π − α ≤ ωt ≤ 2π + α [rad ] b) Dòng tải cực đại ωt = (2k+1)π với k = 0, 1,2,3… có giá trị : 2U I zm = (cos(α ) + 1) = ⋅ 220  cos 3π  + 1 ≈ 6.84 A 2π ⋅ 50 ⋅ 0.1     ωL 2.2 Giản đồ áp linh kiện V1 (uV1) hình 2b tương ứng với góc kích cho câu 2.1 (0.5đ) 2/12 CSĐTCS – 25/05/2017 a) b) Hình Câu (1đ): Thiết kế biến đổi DC/DC dạng Boost (Hình 3a) Nguồn áp chiều ngõ vào có giá trị không đổi Ud= 24V Bộ biến đổi cấp nguồn cho tải R= 10Ω Điện áp ngõ yêu cầu có giá trị trung bình Uo = 48V Mạch thiết kế cho dòng qua cuộn kháng liên tục độ nhấp nhô áp tải ∆Uo/Uo ≤ 1% Gọi D tỷ số đóng (D=ton/Ts) f s = Ts = 20kHz tần số làm việc (đóng cắt) khố MOSFET 3.1(PI) Thiết lập cơng thức xác định mối liên quan điều kiện thiết kế yêu cầu gồm: iLmin ∆Uo/Uo với biến L, C thông số khác R, fs, D, Ud (0.5đ) a) Mối quan hệ iLmin với thơng số: Phương trình dịng qua L khóa S đóng: U DT diL U d = => Biến thiên dòng ∆iL (ON ) = d (1) dt L L Phương trình dịng qua L khóa S ngắt : (U − U )(1 − D )T (2) diL U d − U = => Biến thiên dòng ∆iL (OFF ) = d dt L L Quan hệ áp ngõ ngõ vào: ∆i L ( ON ) + ∆i L ( OFF ) = U d DT (U d − U ) + ⋅ (1 − D )T = L L U ⇒ U0 = d 1− D Thay giá trị số => D=0.5 Dịng trung bình qua cuộn L (IL) từ phương trình cân cơng suất ngõ vào ngõ : 3/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Pin = Po ; Po = U o2 ; Pin = U d I s = U d I L R  Ud    Uo 1 − D  U d2 Ud IL = = = R R (1 − D )2 R Ud ⇒ IL = (1 − D )2 R Phương trình dịng iLmin: iL = I L − (3) ∆iL (ON ) Thay (1), (2) vào (4), ta : iL = = IL − Ud ∆iL (OFF ) Ud D (1 − D ) R Lf s − Thay giá trị cho ta được: iL = Ud U D 24 24 ⋅ 0.5 − d = − 2 (1 − D ) R Lf s (1 − 0.5) 10 ⋅ 20 ⋅103 ⋅ L i L = 9.6 − ⋅10 − L b) Mối quan hệ ∆Uo/Uo với thông số: ∆Q = C ⋅ ∆U U0 DT R ∆U D => = U0 RCf s ∆Q = I DT = Thay giá trị cho ta được: D ∆U = = U0 RCf s 10 ⋅ 20 ⋅103 ⋅ C ∆U 2.5 ⋅10 −6 = U0 C 4/12 (4) CSĐTCS – 25/05/2017 3.2 Biết giản đồ xung kích MOSFET S hình 3b dịng iL qua cuộn L hình 3c Giản đồ áp dòng MOSFET (uS, iS) Diode (iD, uD) hình 3d 3e (0.5đ) L + uL iL D - + uD iS iD Io + + Ud S uS - U0 C R - (a) Hình Câu (2.5đ): Xét biến đổi chiều kiểu đảo dịng hình 4a Xung kích transistor T1 T4 có dạng hình 4b Nguồn áp chiều ngõ vào có giá trị khơng đổi Ud = 200V Tải biến đổi động chiều có mạch tương đương sức điện động chiều E, điện cảm L = 0.1H hình 4a (điện trở động xem khơng đáng kể) Gọi D tỷ số đóng (D = T1/Ts) f s = Ts tần số đóng cắt transistor Mạch hoạt động chế độ xác lập 4.1 (PI) Tìm quan hệ E với US D? (0.5đ) 4.2 Vẽ hình 4c dạng sóng điện áp tải ut, hình 4d dạng sóng điện áp điện cảm uL, lưu ý ghi rõ giá trị điện áp (0.5đ) 4.3 (PI) Gọi Itmax Itmin giá trị lớn nhỏ dòng tải it chu kỳ đóng cắt, ∆it = I t max − I t độ dợn sóng (nhấp nhơ) dịng tải Tìm cơng thức biểu diễn ∆it theo thông số mạch Ud, D, L fs (0.5đ) Khi D thay đổi khoảng [0, 1], chứng minh rẳng ∆it đạt giá trị lớn ∆it ,max D = 0.5, tìm biểu thức ∆it ,max (0.5đ) 4.4 (PI) Áp dụng kết 4.3, tính tần số đóng cắt tối thiểu mạch để độ dợn sóng dịng tải khơng vượt q 1A tỉ số đóng D thay đổi.(0.5đ) 5/12 CSĐTCS – 25/05/2017 b) Hình 4.1 (PI) Quan hệ E với Ud D Viết biểu thức cho trị trung bình điện áp ngõ biến đổi, Ut, ta có: U t = DU d = E + RI t = E (điện trở động R giả thiết không đáng kể) Vậy: DU d = E 4.2 Hình vẽ ut uL 4.3 (PI) Tìm cơng thức biểu diễn ∆it theo thơng số mạch Ud, D, L fs Xét dòng áp cuộn cảm L khoảng thời gian T1, ta có phương trình sau: di di L L = L t =U d − E dt dt Suy ra: ∆i L t =Ud − E ∆t Trong khoảng thời gian T1: ∆it = I t max − I t ∆t = T1, từ ta có: U −E U − DU d ∆it = I t max − I t = d T1 = d DTs L L Suy công thức biểu diễn ∆it theo Ud, D, L fs là: D (1 − D ) U d Lf s Chứng minh rẳng ∆it đạt giá trị lớn ∆it ,max D = 0.5: ∆it = I t max − I t = Nếu xét hàm biến ∆it = I t max − I t = f ( D ) thấy ∆it thay đổi theo D 6/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Lấy d ( ∆it ) U d = (1 − D ) cho dD Lf s = f ( D ) đạt cực đại D = 0.5 đạo hàm đạo hàm zero, tìm hàm ∆it = I t max − I t Từ ta có biểu thức ∆it ,max : ∆it ,max = 0.25 Ud U = d Lf s Lf s 4.4 (PI) Tính tần số đóng cắt tối thiểu mạch để độ dợn sóng dịng tải khơng vượt q 1A tỉ số đóng D thay đổi Khi D thay đổi độ dợn sóng dịng tải ∆it thay đổi Tuy nhiên ∆it ≤ ∆it ,max Vậy để độ dợn sóng dịng tải ln nhỏ 1A, ta cần có: U ∆it ≤ ∆it ,max = d ≤ A Lf s Suy ra: Ud 200 fs ≥ = = 500 Hz L ⋅ 1A ⋅ 0.1 ⋅ Vậy để thỏa điều kiện độ dợn sóng dịng u cầu, tần số đóng cắt tối thiểu mạch 500Hz Câu (2.0đ): Cho nghịch lưu áp cầu pha – hình 5a Khóa Sj gồm transistor Tj diode Dj, j=1,2,3,4 Nguồn DC không đổi Ud=500V Áp tải ut dịng tải it có có đồ thị mơ tả chu kỳ 2π (chu kỳ T=20mS) sau:  Ud  ut =  −U d   + I it =  d − I d − pham − vi (0, α1 );(α , π − α );(π − α1 , π ) − pham − vi (π , π + α1 );(π + α , 2π − α );(2π − α1 , 2π ) − pham − vi khác − pham − vi (0; π ); − pham − vi (π ;2π ) Cho biết Id =10A < α ≤ α < π / 5.1 Vẽ đồ thị áp tải dòng tải chu kỳ T vào hình 5b (0.5đ) 7/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Hình Hình 5b : ut & it 5.2 [PI] Vẽ xung kích cho khóa S1, S2, S3, S4 để tạo nên dạng áp tải vào hình 5c Cho biết: dòng tải it > 0, có khóa S1, S4 chuyển mạch it < có khóa S3, S2 chuyển mạch (0.5đ) 8/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Hình 5c) Xung điều khiển S1-S4 5.3 (PI) Vẽ đồ thị dòng điện nguồn id vào hình 5d (0.25đ) Tính cơng suất trung bình nguồn Pd [kW] theo α ,α (0.75đ) Hình 5d) Dòng id 9/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Dễ dàng dẫn giải tính : Pd = 4Vd 10(π + α1 − α ) 20Vd (π + α1 − α ) = 2π π Câu (1.0đ): Cho nghịch lưu áp cầu pha hình 6a Khóa Sj gồm transistor Tj diode Dj, j=1, 2, 3, Nguồn DC ngõ vào nghịch lưu: Ud=500V Các khóa điều khiển theo nguyên lý điều rộng xung sin (Sine PWM), với xung kích tạo cách so sánh sóng mang utri với sóng điều khiển uđk hình 6b Ngồi ra: xung kích S1 = S2 S3 = S4 6.1 Với trục thời gian, vẽ dạng xung kích cho khóa S1 S3 vào hình 6c (0.5đ) Hình 6.2 (PI) Biết tải có R = 10Ω, L = 0.1H Giả thiết tần số sóng mang lớn so với tần số sóng điều khiển, U tỉ số điều chế biên độ: ma = dk = 0.6 , tần số sóng điều khiển f = 50Hz Hãy tính trị hiệu dụng hài bậc U tri (hài bản) It1 dòng tải (0.5đ) Biên độ hài áp tải: Ut(1)m=500*0.6=300V Trị hiệu dụng áp hài bản: U t (1) rms = 300 = 212.13V Trở kháng hài bản: Z1 = R + (2πfL ) = 33Ω 10/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Trị hiệu dụng dòng điện hài bản: I rms1 = 212.13 = A 33 Câu (1.5đ): Cho nghịch lưu áp pha hình 7a Nguồn áp DC Ud=500V Các khóa bán dẫn điều khiển đóng ngắt theo kiểu điều rộng xung (PWM) với sóng mang dạng tam giác, có biên độ thay đổi -1 +1 chu kỳ Ts=100uS hình 7b Giả thiết tải ba pha cân đấu Y Cho áp điều khiển pha udkA=-0.25; udkB=0.75 udkC=-0.5 7.1 Vẽ áp điều khiển udkA, udkB udkC với giá trị cho vào hình 7b, vẽ giản đồ xung kích tương ứng cho khóa S1,S3 S5 chu kỳ Ts vào hình 7c (0.5đ) 7.2 [PI] Vẽ đồ thị điện áp tải pha A, uAN chu kỳ Ts vào hình 7d (0.5đ) Hình 11/12 CSĐTCS – 25/05/2017 Hình 7.3 [PI] Tính trị trung bình điện áp uAN chu kỳ Ts (0.5đ) Áp trung bình tải A: U AN = 2U A0 − U B − U C ⋅187.5 − 437.5 − 125 = = −62.5V 3 với: U A = (vdkA + 1) ⋅ Ud 500 = (− 0.25 + 1) ⋅ = 187.5V 2 U B = (vdkB + 1) ⋅ Ud 500 = (0.75 + 1) ⋅ = 437.5V 2 U C = (vdkC + 1) ⋅ Ud 500 = (− 0.5 + 1) ⋅ = 125V 2 (hoặc để ý vdkA+vdkB+vdkC=0 SIN PWM 12/12 UAN=vdkA*500/2=-0.25*500/2=-62.5[V] ... transistor T1 T4 có dạng hình 4b Nguồn áp chiều ngõ vào có giá trị không đổi Ud = 200V Tải biến đổi động chiều có mạch tương đương sức điện động chiều E, điện cảm L = 0.1H hình 4a (điện trở động... (1đ): Thi? ??t kế biến đổi DC/DC dạng Boost (Hình 3a) Nguồn áp chiều ngõ vào có giá trị khơng đổi Ud= 24V Bộ biến đổi cấp nguồn cho tải R= 10Ω Điện áp ngõ u cầu có giá trị trung bình Uo = 48V Mạch thi? ??t... (PI) Tìm quan hệ E với US D? (0.5đ) 4.2 Vẽ hình 4c dạng sóng điện áp tải ut, hình 4d dạng sóng điện áp điện cảm uL, lưu ý ghi rõ giá trị điện áp (0.5đ) 4.3 (PI) Gọi Itmax Itmin giá trị lớn nhỏ dòng