đề thi môn điện tử công suất có đáp án4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN CUNG CẤP ĐIỆN ĐÁP ÁN ĐỀ THI HỌC KỲ II/2018 – 2019 Môn thi: Cơ Sở Điện tử công suất – EE2021 Ngày thi: 29/05/2019 – Thời lượng: 120 phút Đề thi số: ………… Họ tên SV: …………………………………………… MSSV:………………………………… LƯU Ý: - Sinh viên KHÔNG sử dụng tài liệu Sinh viên vẽ vào hình đề thi NỘP đề với làm giấy thi Sinh viên làm tối đa câu: Câu 1, 2, 3, bắt buộc + Câu Câu Câu (2 điểm) Xét biến đổi chiều kiểu đảo dịng hình Xung kích transistor S1 S4 có dạng hình 7a Nguồn áp chiều ngõ vào có giá trị không đổi Ud = 200V Tải biến đổi động chiều có mạch tương đương hình, bao gồm: sức điện động chiều E = 150V, R = 1Ω điện cảm L đủ lớn để dịng tải it xem phẳng Gọi D tỷ số đóng (D = ton/Ts) f s  Ts tần số đóng cắt transistor Mạch hoạt động chế độ xác lập 1.1 Vẽ hình 7b dạng sóng điện áp tải ut (0.5đ) 1.2 Tìm quan hệ điện áp trung bình tải Ut, điện áp nguồn Ud tỉ số đóng D (0.5đ) 1.3 Tìm tỉ số đóng cần thiết trường hợp: (a) Tải nhận công suất 2kW, (0.5đ) (b) Tải phát công suất 2kW Lưu ý điều kiện giá trị trung bình dịng tải: I t  20 A (0.5đ) Giải: 1.2 Quan hệ điện áp trung bình tải Ut, điện áp nguồn Ud tỉ số đóng D: T Ut  t s on t ut dt   U d dt  on U d  DU d (0.5đ)  Ts Ts Ts Lưu ý U t  1.3 Tìm tỉ số đóng cần thiết Cơng suất tải (lưu ý dịng tải it xem phẳng đề bài): Pt  U t I t  ( E  RI t ) I t (a) Tải nhận công suất 2kW: từ biểu thức kết hợp với thông số đề bài, ta có phương trình: (150   I t ) I t  2000  I t2  150 I t  2000   It = -162.3A It = 12.3A Lưu ý nghiệm It=-162.3A bị loại bỏ với nghiệm ta có: U t  E  RI t  Với It =12.3A, ta có điện áp trung bình tải là: U t  E  RI t  150   12.3  162.3V Vậy tỉ số điều chế D cần thiết là: D  U t 162.3   0.81 (0.5đ) U d 200 (b) Tải phát công suất 2kW: giải tương tự câu trên, ta có phương trình: (150   I t ) I t  2000  I t2  150 I t  2000   It =-135.2A It = -14.8A Lưu ý nghiệm It = -135.2A bị loại bỏ không thỏa điều kiện I t  20 A Với It = -14.8A, ta có điện áp trung bình tải là: U t  E  RI t  150    14.8   135.2V Vậy tỉ số điều chế D cần thiết là: D  U t 135.2   0.68 (0.5đ) U d 200 Câu (2 điểm) Xét nguồn đóng ngắt kiểu tăng áp (boost) hình 2, Ud= 12V Mạch thiết kế cho công suất tải ngõ Po thay đổi khoảng 20W đến 100W, mạch hoạt động chế độ dòng liên tục điện áp ngõ giữ không đổi mức Uo = 20V Gọi D tỷ số đóng (D=ton/Ts) f s  Ts = 20kHz tần số đóng cắt khố bán dẫn S 2.1 Biết giản đồ xung kích S hình 8a dịng iL qua cuộn L hình 8b Hãy vẽ giản đồ áp dịng khóa S hình 8c (0.5đ) Xác định dịng trung bình qua S tải 100W (0.5đ) 2.2 Dẫn giải cơng thức tính iLmin theo fs, D tải (0.5đ), từ tính giá trị tối thiểu L để đảm bảo mạch hoạt động chế độ dịng liên tục (0.5đ) Hình Hình Giải 2.1 Xác định dịng trung bình qua S tải 100W Vì mạch hoạt động chế độ dịng liên tục, ta có quan hệ áp ngõ ngõ vào sau: Uo  Ud 1 D Suy tỉ số điều chế cần thiết: D   Ud 12    0.4 Uo 20 Dòng ngõ với tải 100W: I o  Po U o  100 / 20  A Từ tính dịng ngõ vào (dịng nguồn) là: I d  Io 5A   8.33 A  D  0.4 Nhìn vào hình 2, xét nút mạch A B, ta có: id  iS  iD  id  iS  iC  io Lấy trung bình vế biểu thức lưu ý dịng trung bình qua tụ C (iC) zero, ta có: Id  I S  Io Vậy, dịng trung bình qua transistor S là: I S  I d  I o  8.33 A  A  3.33 A (0.5đ) 2.2 Dẫn giải cơng thức tính iLmin theo fs, D tải Sinh viên cần chứng minh điều kiện để mạch hoạt động chế độ dòng liên tục là: 2 D 1  D  R D 1  D  U Po  D 1  D  U 02 Lf s    2 Po D 1  D  R D 1  D  U 02 (0.5đ)  fs f s Po Suy ra: L  Lmin  Từ suy để đảm bảo mạch ln hoạt động chế độ dòng liên tục tải thay đổi từ 20W  100W, giá trị nhỏ L cần tính với trường hợp cơng suất tải nhỏ Po = 20W Do đó: D 1  D  U 02 0.4 1  0.4  202   0.072 mH  72  H (0.5đ) f s Po ,min  20  103  20 L  Lmin  Câu (2 điểm) Cho biến đổi điện áp xoay chiều pha hình 3, nguồn áp xoay chiều có phương trình u  t   2U sin t  [V] với U=220V, f=50Hz vẽ hình Tải trở R=10  Mạch sử dụng phương pháp điều khiển pha với góc điều khiển biến đổi   2 [rad] 3.1 Vẽ giản đồ áp khóa T2 (uT2) hình (0.5đ) 3.2 Vẽ giản đồ dịng nguồn i hình (0.5đ) 3.3 Sử dụng phân tích Fourier để dẫn giải cơng thức xác định biên độ hài dòng nguồn (I1m) theo U, R  (0.75đ) Áp dụng công thức tìm liệu cho để tính giá trị I1m (0.25đ) Giải: 3.3 a) Lưu ý dịng nguồn có phương trình giản đồ dòng tải theo KL1 => i(t)=it(t) Các hệ số phân tích Fourier: a0  ; a1   2  1 U U U sin     sin  x  cos  x  dx   sin  x  cos  x  dx      R R   R    hàm tương đương ví dụ a1  U  cos  2   1 2  R  2  sin  2   1 U U U  b1    sin  x  dx   sin  x  dx         R R      R  hàm tương đương ví dụ b1  U     sin   cos    R  Biên độ hài dòng nguồn I1m : (0.75đ) b) Áp dụng U=220V, f=50Hz,   I1m  a12  b12  U sin        sin   cos    R 2 rad, R=10, suy I1m = 23.36 A (0.25đ) Câu (2 điểm) Cho nghịch lưu áp cầu pha hình Khóa Sj có cấu tạo gồm transistor Tj diode Dj mắc đối song, j=1,2,3,4 Nguồn DC Ud=500V Bộ nghịch lưu điều khiển theo kiểu điều rộng xung (PWM) với khoảng thời gian khảo sát Ts=100S Các khóa nhánh điều khiển đóng cắt theo quy tắc đối nghịch (S1+S4=1; S2+S3=1, Sj = điều khiển khóa ON Sj = điều khiển khóa OFF) Chuỗi trạng thái xung kích dẫn cho khóa (S1(t) S3(t)) thời gian kích dẫn tương ứng [S] mô tả khoảng thời gian Ts sau: (01)[10s]  (11)[20s] (10)[40s](11)[20s](01)[10s] (Giải thích: (01) [10s] : Điều khiển S1=OFF S3=ON khoảng thời gian 10s) Trong khoảng thời gian khảo sát Ts hình 10, hãy: 4.1 Vẽ giản đồ xung điều khiển S1-S4 vào hình 10a (0.5đ) 4.2 Thiết lập mơ tả tốn học quan hệ áp tải ut(t) với hàm đóng cắt khóa S1(t) S3(t) (0.5đ) Áp dụng vẽ giản đồ áp tải ut hình 10b (0.5đ) 4.3 Xác định trị trung bình áp tải ut [V] (0.5đ) id S1 T1 S3 D1 ut + Ud it S4 T4 Hình R T3 D3 T2 D2 L D4 S2 Hình Sinh viên chọn câu sau Giải: 4.2 Một phương án thiết lập mô tả quan hệ áp tải hàm điều khiển đóng cắt khóa s1(t), s3(t) từ phân tích nghịch lưu sau : Khảo sát nhánh thứ gồm khóa S1 S4 kích đối nghịch, suy hàm điện áp u10: s1  s4  1; Ud U  s4  d 2 U  u10  (2 s1  1)  d u10  s1  Tương tự, khảo sát nhánh thứ hai gồm khóa S3 S2 kích đối nghịch, suy hàm điện áp u20: s3  s2  1; Ud U  s2  d 2 U  u20  (2 s3  1)  d u20  s3  Từ đó, suy quan hệ áp tải u12 hàm điều khiển đóng cắt khóa s1(t), s3(t) u12  u10  u20 ; (0.5đ)  u12  ( s1  s3 ) U d Lưu ý: Các dẫn giải tương tự khác dẫn đến quan hệ tương tự tính điểm 4.3 Xác định trị trung bình áp tải ut [V]: Ut  10 70 100    U dt  U dt  U d dt   d d   100  30 90  20   U d   500  100V 100 (0.5đ) Câu (2 điểm) Cho nghịch lưu dòng mạch cầu pha hình Nguồn dịng chiều ngõ vào nghịch lưu có giá trị I d Tải pha trở R 5.1 Vẽ hình 11a xung kích cho khóa nghịch lưu theo phương pháp bước chu kỳ đóng cắt T s (0.5đ) 5.2 Vẽ hình 11b dạng sóng dịng điện pha tải (i(R1)) theo phương pháp bước (0.5đ) 5.3 Dẫn giải công thức xác định biên độ sóng hài bậc k dịng điện tải? Với k biên độ sóng hài bậc k nhỏ 5% so với sóng hài (0.5đ) 5.4 Giả sử điện trở tải pha có giá trị R= 10  Dẫn giải cơng thức tính giá trị nguồn dịng Id biết cơng suất tải pha có giá trị P Áp dụng tính Id P= 10 kW (0.5đ) Giải: 5.3 Dẫn giải cơng thức xác định biên độ sóng hài bậc k dòng điện tải? Với k biên độ sóng hài bậc k nhỏ 5% so với sóng hài a) Các hệ số phân tích Fourier dịng điện tải (chu kỳ T): a0  ; ak  Ts 5Ts /6  Ts /3  I cos k  t dt   I d cos  k0t  dt    d      Ts /   bk  Ts 5Ts /6  Ts /3  I sin k  t dt   I d sin  k0t  dt    d      Ts /   Biên độ sóng hài bậc k: 4I d    cos  k  ; k  6 k  1,5, 7,11,13,17,19, ck  ak2  bk2  (0.25đ) b) Xác định k để biên độ sóng hài bậc k nhỏ 5% so với sóng hài bản:   cos  k  ck    5%;  c1 k   cos   6 k  1,5, 7,11,13,17,19,  5% k  k  20  k  23  (0.25đ) 5.4 Giả sử điện trở tải pha có giá trị R= 10  Dẫn giải cơng thức tính giá trị nguồn dịng Id biết cơng suất tải pha có giá trị P Áp dụng tính Id P= 10 kW (0.5đ) Từ hình vẽ xác định trị hiệu dụng dòng pha: It  Ts Ts /3  I d2  dt   Id Dẫn giải cơng thức tính giá trị nguồn dịng Id biết cơng suất tải pha có giá trị P Ta có: P  3RI t2  3R   I d2  RI d2 P  Id  2R (0.25đ) Với P = 10kW, R = 10Ω, giá trị cần thiết Id là: Id  P 10   70.71A 2R 10 (0.25đ) Câu (2 điểm) Cho nghịch lưu áp mạch cầu pha hình Nguồn áp chiều ngõ vào nghịch lưu có giá trị Ud Tải pha trở R 6.1 Vẽ hình 11a xung kích cho khóa nghịch lưu theo phương pháp bước chu kỳ đóng cắt T s (0.5đ) 6.2 Vẽ hình 11b dạng sóng điện áp pha tải uta theo phương pháp bước (0.5đ) 6.3 Dẫn giải công thức xác định trị hiệu dụng điện áp pha tải uta? (0.5đ) 6.4 Giả sử điện trở tải pha có giá trị R= 10  Dẫn giải cơng thức tính giá trị nguồn áp Ud biết cơng suất tải pha có giá trị P Hãy tính giá trị cần thiết Ud công suất tải pha ngõ 10kW (0.5đ) Hình Hình Giải 6.3 Dẫn giải công thức xác định trị hiệu dụng điện áp pha tải uta Từ hình vẽ, ta có: 2  /3 2 /3    1  2  1  U d  t  U d  t  U U d (0.5đ)  d  d  d  d t  =      3 3     /3  2 /3     6.4 Dẫn giải công thức tính giá trị nguồn áp Ud biết cơng suất tải pha có giá trị P U ta , rms  2 2  uta d t  Ta có: 3U 2 U d2 3PR P  ta ,rms   Ud  R R Với P = 10kW, R = 10Ω, giá trị cần thiết Ud là: 3PR  10000  10 Ud    387V (0.5đ) 2 Sua Dap An: UT2 dao lai so voi hinh ben ... Dẫn giải công thức xác định trị hiệu dụng điện áp pha tải uta? (0.5đ) 6.4 Giả sử điện trở tải pha có giá trị R= 10  Dẫn giải cơng thức tính giá trị nguồn áp Ud biết cơng suất tải pha có giá trị... Id Dẫn giải công thức tính giá trị nguồn dịng Id biết cơng suất tải pha có giá trị P Ta có: P  3RI t2  3R   I d2  RI d2 P  Id  2R (0.25đ) Với P = 10kW, R = 10Ω, giá trị cần thi? ??t Id là:... giá trị nguồn áp Ud biết công suất tải pha có giá trị P U ta , rms  2 2  uta d t  Ta có: 3U 2 U d2 3PR P  ta ,rms   Ud  R R Với P = 10kW, R = 10Ω, giá trị cần thi? ??t Ud là: 3PR  10000