PRZEKSZTAŁTNIKI IMPULSOWE zadania zaliczeniowe

Transkrypt

1 PRZEKSZTAŁTNIKI IMPULSOWE zadania zaliczeniowe 1. UWAGA: W podanych poniżej zadaniach w każdym przypadku odniesionym do określonego obwodu przekształtnikowego należy narysować kompletny schemat wraz z zastrzałkowanymi i opisanymi wielkościami napięć i prądów. 2. Jeżeli nie zaznaczono inaczej w temacie przyrządy półprzewodnikowe należy traktować jako idealne. 1. Podaj podstawowe charakterystyki IGBT i MOS a i porównaj ich podstawowe parametry statyczne i dynamiczne zestawiając je w tabeli 2. Podaj charakterystyki napięciowo-prądowe i przebiegi ilustrujące proces wyłączania tyrystora wyłączanego GTO. 3. Podaj podstawowe cechy diody szybkiej i zilustruj jej właściwości rysując odpowiednie przebiegi napięcia i prądu w stanach dynamicznych. 4. Narysuj podstawowe konfiguracje przekształtników impulsowych, wywodzące się z postaci kanonicznej łącznika i umożliwiające nastawianie i regulację napięcia przy zasilaniu z źródła napięcia stałego. Podaj jakie napięcie zostanie ustalone na wyjściu każdego z nich przy ciągłym prądzie w dławiku dla współczynnika wypełnienia D=0,4 jeżeli napięcie zasilania wynosi 10V. 5. Przekształtnik zasilany ze źródła napięcia stałego o wartości E dostarcza napięcie jednokierunkowe U o o wartości regulowanej w zakresie od zera do E (układ obniżający napięcie). Przyjmując, że częstotliwość łączeń jest stała i wynosi 1 khz a prąd odbiornika jest ciągły dla współczynnika wypełnienia D=0,4. podaj orientacyjne przebiegi wartości chwilowych podstawowych wielkości obrazujące pracę przekształtnika (napięcia na odbiorniku rezystancyjno-indukcyjnym (R-L),prądu odbiornika R-L, napięcia na dławiku odbiornika oraz prądu diody rozładowczej). 6. Oblicz jaką indukcyjność należy włączyć w przekształtniku impulsowym podwyższającym napięcie i pracującym przy częstotliwości łączeń 10 khz, napięciu zasilania U d = V i napięciu wyjściowym Uo = 30 V jeżeli pulsacja prądu ma być mniejsza od 0.2A. Narysować układ przekształtnika i charakterystyczne przebiegi prądu i napięcia w obwodzie ilustrujące przypadek, gdy U d =10V ( prąd w dławiku ciągły). 7. Przekształtnik zasilany ze źródła o napięciu E dostarcza napięcie jednokierunkowe impulsowe regulowane o wartości U o równej bądź większej od E (układ podwyższający napięcie). Przyjmując, że częstotliwość łączeń jest stała i wynosi 1 khz a napięcie odbiornika jest pozbawione tętnień podaj dla współczynnika wysterowania D=0,5 przebieg napięcia i prądu dławika Na podstawie przebiegu wartości chwilowej napięcia na dławiku wyprowadzić wzór określający zależność napięcia wyjściowego od współczynnika D i napięcia wejściowego.

2 8. Przekształtnik impulsowy prądu stałego pracuje jako zasilacz stabilizowany z filtrem LC. a) Określ jaką częstotliwość łączeń należy zapewnić aby przy indukcyjności 2 mh uzyskać pulsację prądu w dławiku nie większą niż 2A jeżeli napięcie stałe na wejściu zmienia się w zakresie V DC a maksymalne napięcie wyjściowe jest równe 100V. b) Narysuj charakterystyczne przebiegi napięcia i prądu dla przypadku maksymalnego napięcia na wejściu i na wyjściu przekształtnika. 9. Impulsowy sterownik napięcia stałego służy do podwyższenia napięcia z 200 V do 300V. Częstotliwość łączeń wynosi 10 khz. a) Narysuj schemat i przebiegi prądów i napięć w układzie. b) Określ wartość indukcyjności, przy której pulsacja prądu będzie równa 2A. 10. Wartość średnia prądu wejściowego przekształtnika napięcia stałego w napięcie impulsowe o właściwościach obniżających wynosi I=10A. Napięcie wejściowe E=100V a współczynnik D =0,25. Pomijając straty mocy w przekształtniku oraz przyjmując, że tętnienia wartości chwilowej prądu odbiornika są pomijalnie małe wyznacz wartość średnią prądu odbiornika I o i wartość rezystancji odbiornika R o. 11. Bateria dostarcza napięcie 12 V ±2,5V a do zasilania aparatu pomiarowego konieczne jest stabilizowane napięcie 6V przy mocy pobieranej 20 W. Tętnienia napięcia na wyjściu nie powinny przekraczać 2% a tętnienia prądu w dławiku filtru nie przekroczą 10 %. a) Narysuj schemat prostego stabilizatora impulsowego z filtrem wyjściowym. b) Zaproponuj parametry LC filtru wyjściowego przy częstotliwości łączeń f S = 20 khz. (przyjmując, że tętnienia napięcia wyjściowego nie wpływają na tętnienia prądu w dławiku L a prąd odbiornika jest idealnie wygładzony) c) Narysuj przebiegi napięć i prądów w obwodzie przekształtnika odpowiadające skrajnym wartościom napięć baterii przy założeniu idealnych przyrządów półprzewodnikowych. d) Oblicz wartości średnie i skuteczne prądu w tranzystorze i diodzie, odpowiadające skrajnym warunkom zasilania pomijając tętnienia prądu w dławiku. 12. Bateria magazynująca i w razie potrzeby zwracająca energię elektryczną sprzęgnięta jest z obwodem napięcia stałego 120V za pośrednictwem impulsowego przekształtnika dwukierunkowego. Napięcie baterii w czasie pracy zależnie od stanu naładowania waha się pomiędzy 40 i 60V. W ramach zadania należy: a) Narysować schemat przekształtnika o dwukierunkowym prądzie zrealizowanego na tranzystorach MOS b) Dobrać indukcyjność dławika tak, by tętnienia prądu nie były większe niż 2A przy założeniu, że częstotliwość pracy wynosi 50 khz. c) Wyznaczyć wartości średnie prądu w łącznikach ( tranzystory, diody) dla przypadku ładowania baterii przy maksymalnym napięciu.

3 13. Częstotliwość łączeń tranzystora IGBT w układzie bezpośredniego przekształtnika obniżającego napięcie stałe wynosi 2kHz. Napięcie wejściowe przekształtnika wynosi E=100V. Współczynnik wypełnienia impulsów D=0,5. Przyjmując, że okresy impulsowania zaczynają się z chwilą załączenia tranzystora i pomijając straty mocy w elementach przekształtnika wyznacz analitycznie i przedstaw na wykresach wyskalowane przebiegi wartości chwilowych prądów i napięć odbiornika bezpośrednio po załączeniu układu: a) w ciągu pierwszych czterech okresów po załączeniu w przypadku, gdy odbiornikiem jest rezystor R=1Ω, b) w ciągu pierwszych ośmiu okresów, gdy odbiornikiem jest dwójnik, składający się z szeregowo połączonych: rezystora R=1Ω i dławika L=1mH, c) w ciągu pierwszych czterech okresów, gdy odbiornikiem jest tylko dławik o indukcyjności L=1mH. d) wyznacz wartość średnią prądu odbiornika w stanie ustalonym dla przypadków a) i b). (WSKAZÓWKA:Przy rozwiązaniu punktu b) posłuż się metodą analityczno-graficzną, wykorzystując funkcje Aexp(-t/τ) i A(1-exp(-t/τ)).Kreśląc te funkcje skorzystaj z następujących właściwości funkcji wykładniczej: styczna poprowadzona w punkcie początkowym funkcji wykładniczej przecina prostą odpowiadająca wartości ustalonej w chwili t=τ; funkcja wykładnicza zmienia się o A/2 w ciągu czasu t=0,693τ licząc od chwili początkowej; po czasie t=4τ można przyjąć stan ustalony funkcji). 14. Silnik elektryczny prądu stałego wymaga zasilania napięciem regulowanym pomiędzy 20 a 30 V natomiast jako zasilanie przewidziano akumulator 12V. Przyjmując napięcie to jako niezmienne i wybierając odpowiednią topologię przekształtnika: a) Narysuj charakterystyczne przebiegi napięć i prądów w układzie dla przypadku, gdy napięcie silnika jest ustalone na 24V a prąd obciążenia ma wartość średnią 5 A przy częstotliwości łączeń 20 khz i tętnieniu prądu akumulatora Δi = 1A, b) Określ na podstawie wartości Δi wartość indukcyjności, która jest włączona w obwodzie wejściowym ) c) Określ przy jakiej wartości średniej prądu odbiornika wystąpi stan graniczny przewodzenia ciągłego (napięcie odbiornika 24 V). Jak będzie się zmieniało napięcie odbiornika jeżeli przy zachowaniu współczynnika wypełnienia D nastąpi dalsze zmniejszenie obciążenia (zmniejszenie momentu silnika). 15. Dysponując źródłem 3V dc należy zbudować zasilacz dostarczający napięcie w zakresie 1,5-6V. W ramach zadania: a) Narysuj schemat układu przekształtnika zapewniający wymagany zakres napięć wyjściowych b) Narysuj przebiegi napięcia dławika i prądu w łącznikach odpowiadające dolnemu i górnemu zakresowi napięcia wyjściowego przy założeniu ciągłego prądu w dławiku c) Oblicz jaki kondensator jest konieczny na wyjściu jeżeli tętnienie napięcia nie powinno przekroczyć 2% przy prądzie wyjściowym 500mA (wartość stała) i częstotliwości łączeń 50 khz. Należy przyjąć w rozwiązaniu, że tętnienia prądu w dławiku są pomijalne.

4 16. Przedmiotem zadania jest przekształtnik impulsowy 4-kwadrantowy zasilany ze źródła dc 100V i pracujący przy częstotliwości łączeń 20 khz. Na jego wyjściu ma być ukształtowana fala prądu,w której prąd na przemian narasta od -50A do +200A i opada od 200A do 50 A w czasie 1 milisekundy przy czym napięcie wewnętrzne odbiornika LE (R pomijalnie małe) może przyjmować dwie wartości +50V lub 50V Indukcyjność L ma wartość 0.1 mh. Narysuj przebiegi prądu i napięcia odbiornika w jednym cyklu łączeń (50μ) znacząc na wykresach, które z tranzystorów i diod przewodzą dla następujących 2 przypadków: a) prąd jest ujemny i narasta a napięcie E jest dodatnie ( +50V) b) prąd jest dodatni i opada a napięcie jest ujemne (-50V) przyjmując jako wartość początkową prądu w cyklu 50 A lub +200A 17. Falownik zasilany ze źródła o napięciu 24 V zrealizowany na 2 tranzystorach MOS z zastosowaniem transformatora o zdwojonym uzwojeniu pierwotnym (tzw. push-pull) i przekładni napięciowej podwyższającej równej 4 pracuje z częstotliwością 1 khz formując na wyjściu falę prostokątną napięcia. a) Narysuj przebiegi napięcia i prądu odbiornika oraz prądu w tranzystorach i zintegrowanych z nimi diodach w stanie ustalonym dla przypadku, gdy odbiornik dołączony do uzwojenia wtórnego transformatora (rozpatrywanego w zadaniu jako idealny) to dławik o indukcyjności 1mH i pomijalnie małej rezystancji. b) Oblicz wartość maksymalną i średnią prądu tranzystora dla powyższego przypadku 18. Falownik napięcia w układzie pełnego mostka zasilany ze źródła 300V pracuje przy częstotliwości 5 khz przy czym odbiornik rezystancyjny (R) włączono za pośrednictwem transformatora o przekładni podwyższającej równej 20 i prostownika. Sterowanie falownika umożliwia przesuwanie fazowe napięć gałęziowych. a) Narysuj przebiegi napięcia wyjściowego falownika przy założeniu, że napięcie na odbiorniku wynosi 2000V. b) Oblicz wartość harmonicznych 1 i 3 napięcia pierwotnego uzwojenia dla tego przypadku. 19. Falownik napięcia mostkowy o częstotliwości pracy 400 Hz formujący prostokątną falę napięcia wyjściowego ± 100V ma w warunkach rezonansu zasilać obwód szeregowy RLC o rezystancji 1Ω i indukcyjności 5 mh. a) Podaj wartość maksymalną prądu płynącego przez tranzystory. b) Jaki prąd będzie płyną przez diody zwrotne? c) Narysuj na wykresie w przybliżonej skali przebiegi napięcia na rezystancji, indukcyjności i pojemności odbiornika.

5 20. W przykładzie falownik jednogałęziowy zasilany jest z źródła o podwójnym napięciu 100V i częstości łączeń 450 Hz. a) Posługując się metodą opartą na zastosowaniu funkcji liniowej trójkąta objaśnij zasadę modulacji sinusoidalnej konstruując cykle fali napięcia wyjściowego o amplitudzie 80 V i częstotliwości 30 Hz ( Um = m sinωt) dla 1, 4, i 9 go cyklu łączeniowego: w okresie funkcji modulującej. b) Dla cyklu wybranego z powyższych oblicz czasy przełączenia i dokonaj konstrukcji przebiegu napięcia wyjściowego ilustrujące działanie cyfrowych modulatorów. c) Narysuj orientacyjny wykres spektralny napięcia dla tego przypadku. 21. Falownik jednofazowy PWM o bardzo wysokiej częstości łączeń, zasilany z źródła o napięciu 500 V sterowany jest sygnałem modulującym opisanym równaniem u=0.5sinωt+ 0.25sin3ωt ( w = 100 rd/sec). Napisz równanie prądu odbiornika w jednostkach bezwzględnych jeżeli rezystancja odbiornika ma 10Ω a indukcyjność 10 mh. 22. Falownik jednofazowy jest sterowany metodą PWM przy czym sygnał modulujący to falą prostokątną opisana następująco: dla 0<ωt π m=+0,1 a dla π<ωt 2π m = -0,1. Przyjmując częstotliwość łączeń jako dążącą do nieskończoności podaj spektrum pierwszych pięciu harmonicznych przy założeniu, że napięcie zasilania wynosi 100V. 23. Falownik PWM modulowany wg sinusoidy i zasilany ze źródła U d =400V jest sprzężony poprzez dławik 5 mh z siecią 50 Hz/230V RMS ( równanie napięcia sieci u L = Um sinωt). Amplituda sygnału modulującego jest równa m=(230 2/400)m przy czym podstawowa harmoniczna napięcia wyjściowego falownika jest opisana funkcją mu d sin(wt+ψ). Podaj przebiegi prądu i napięcia sieci dla następujących przypadków: a) m = 0.9, ψ = 0, b) m =1,1 ψ = 0, c) m = 1, ψ = +0.1 rad. 24. Napięcie stałe zasilania falownika mostkowego PWM zmienia się w zakresie V. Wykluczone jest sterowanie z nadmodulacją (niedopuszczalne deformacje). a) Jakie napięcie wyjściowe (wartość skuteczna RMS) może być zagwarantowane przy założeniu dla harmonicznej podstawowej straty napięcia na filtrze wyjściowym ΔU1 = 10%. b) Jaki współczynnik m należy ustawić dla tej wartości napięcia wyjściowego jeżeli napięcie zasilania osiągnie 360V. 25. Falownik trójfazowy mostek trójgałęziowy- zasilany jest z prostownika sieciowego dostarczającego napięcie ok. 540V.Odbiornik połączony jest w gwiazdę: Praca bez modulacji przewodzenie łączników każdej gałęzi 180 el. przy częstotliwości łączeń 500 Hz. a) Narysuj przebiegi napięcia fazowego odbiornika i prądu fazowego dla następujących rodzajów obciążenia: a/ R; b/ L ; c/ RLC szeregowe przy rezonansie (1/2π LC) = 500 Hz b) dla przypadku odbiornika typu R narysuj napięcie i prąd w rezystorze łączącym punkt neutralny gwiazdy odbiornika z punktem środkowym źródła zasilania

6 26. Falownik 3-fazowy sterowany metodą PWM jest wysterowany tak, że wskaz napięcia wyjściowego jest obrócony o 90 stopni względem osi fazy A i ma długość odpowiadającą 0,5 długości maksymalnej równej Ud/2. Wyznacz przybliżone symetryczne cykle łączeniowe dla 3 gałęzi dla tego przypadku przyjmując jako metodę modulacji naturalną modulację sinusoidalną. 27. Udowodnij na wykresie wskazu przestrzennego w osiach ABC że przy modulacji wg położenia wektora można uzyskać o 15 % większą amplitudę podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego 28. Falownik trójfazowy sterowany jest wg metody PWM przy czym moduł współczynnika modulacji jest równy 0.5 a współczynniki rzutów na osie poszczególnych faz w wybranym cyklu wynoszą m A = 0, m B = - 3/2, m C = 3/2. Narysuj przebiegi napięć gałęziowych oraz fazowych odbiornika połączonego w gwiazdę dla tego cyklu. Narysuj na płaszczyźnie ABC α,ß orientacyjne położenie wypadkowego wskazu napięcia, odpowiadającego danemu cyklowi łączeń. 29. Przekształtnik 3-fazowy PWM ( prostownik-falownik) sprzężony z siecią 3*230V/50 Hz za pośrednictwem 3 dławików o indukcyjności 1 mh ma pobierać z sieci prąd sinusoidalny 100 A RMS w fazie z napięciem. Jakie napięcie musi występować w obwodzie napięcia stałego, z którym przekształtnik współpracuje, aby przy modulacji z dodaniem harmonicznych zgodnych 0.155*m sin (3ωt) zapewnić wymagany prąd. 30. Falownik tyrystorowy 1-fazowy mostkowy zasilany jest ze źródła napięcia i dzięki pojemnościowemu charakterowi odbiornika RLC przy określonej częstotliwości zapewniona jest poprawna komutacja i wyłączanie tyrystorów przy czasie dysponowanym na wyłączenie t d = 50us przy czym cosϕ o(poj) = 3/2. Dla tego przypadku a) oblicz częstotliwość pracy mostka b) narysuj przebiegi napięcia i prądu odbiornika oraz prądu w obwodzie zasilania 31. Falownik tyrystorowy 1-fazowy mostkowy zasilany jest ze źródła prądu i dzięki pojemnościowemu charakterowi odbiornika RLC przy określonej częstotliwości zapewniona jest poprawna komutacja i wyłączanie tyrystorów przy czasie dysponowanym na wyłączanie td= 50us przy czym cosϕ o( poj) = 3/2. Dla tego przypadku a) oblicz częstotliwość pracy mostka b) narysuj przebiegi napięcia i prądu odbiornika oraz prądu w obwodzie zasilania