2007 Examen Final

7/26/2019 2007 Examen Final

1/11

1

ESCOLA UNIVERSITRIA D'ENGINYERIATCNICA INDUSTRIAL DE BARCELONADepartament dEnginyeria Electrnica

UNITAT DESPECIALITAT DELECTRNICA INDUSTRIAL

Ctedra d'Electrnica IProfessors: E Ballester i R Piqu

ETI EN ELECTRNICA INDUSTRIAL. Q3

ELECTRNICA DE POTNCIADarrera Prova. Curs 2006-2007 Primavera

Grups Mat i Tarda21 de juny de 2007

COGNOMS, Nom: Qualificaci:

1.- Definiu, si conv amb ajut dalgun grfic, qu sentn per funcionament en quadrants dunconvertidor esttic denergia elctrica.

La porta de sortida dun convertidor esttic, quan aquest est carregat, aplica a la crrega una tensi, u,i un corrent, i. En funci de lestructura del convertidor, u i ipoden presentar diversos valors i signes(reversibilitat o bidireccionalitat). La representacio en uns eixos coordenats de tensi i corrent de leszones escombrades per aquestes magnituds, poden centrar-se en un, dos o quatre quadrants. Aquest

concepte sanomena funcionament en quadrants del convertidor.

(1)2.-Qu sentn per un treball en rgim de commutaci suauaplicat a un convertidor esttic?

Aquell rgim de funcionament en el qual, tots i cadascun dels interruptors, presenten com a mnim unacommutaci (encesa o apagat) espontnia (del tipus dode) i com a molt una commutaci controlada(del tipus transistor).

(2)3.-En grfiques adjuntes, dibuixeu la caracterstica dinmica (esttica+control) dels interruptors de 3semirectes, amb control dapagat, susceptibles dun funcionament en commutaci suau.

(3)4.- Un determinat interruptor esttic presenta una caracterstica esttica de tres semirectes, una debloqueig en el 3r quadrant, una de bloqueig en el 1r quadrant i una de conducci en el 3r quadrant.Indiqueu el nom concret daquest dispositiu, si existeix, o b indiqueu inexistent si considereu que elmateix no existeix.

Nom del dispositiu: TIRISTOR (SCR)

(4)

Responeu a la zona dedicada a tal efecte desprs de lenunciat de cada qesti.

i

u

i

u


2/11

2

Lesquema de la figura es correspon amb el denominat convertidor de uk, un convertidor DC/DC dunquadrant. A la prctica, la font de corrent dentrada, Ji, simplementa amb lassociaci srie dunabateria amb una inductncia, mentre que el receptor de corrent de sortida, Jo, es realitza amblassociaci srie duna inductncia amb un grup parallel R-C, tal i com sindica a la figura.

El transistor es controla a una freqncia de commutaci fS i relaci de conducci d=TON/TS. Sotahiptesi de conducci contnua, T i D presenten estats complementaris. En relaci a aquestconvertidor considerat ideal, treballant en rgim de conducci contnua i en rgim permanent esttic,doneu resposta a les segents 5 qestions:

5,6 (pes doble).-Dibuixeu laspecte del corrent circulant pel condensador, iC(t), indicant els seus valorscaracterstics en funci de Jii Joen cada perode de commutaci TS.

(5,6)7,8 (pes doble).-A partir de la forma dona anterior, determineu la relaci de conversi Jo/Ji=f(d).

En rgim permanent esttic, es compleix que ( ) 0Ci t = , per la qual cosa ha dexistir igualtat drees al

llarg dun perode de commutaci. Per tant

1(1 )S S

Jo dJo d T Ji d T

Ji d

= =

f(d) = (1-d)/d (7,8)9.-Com a exemple daplicaci, considerant que Ji=10 A, d=0,2 i R=5 , determineu el valor mig de latensi de sortida, U, considerant aquesta la caiguda de tensi a la resistncia, R, de sortida.

De lexpressi anterior,1 1 0,2

10 400,2

dJo Ji A

d

= = = . Per tant 5 40 200U R Jo V = = = .

U = 200 V (9)

t

iC(t)

- Jo

Ji

dTS TS

Si T ON, D OFF, i el corrent dela font de sortida es tanca per

C. Per tant, durant [0, dTS[

iC(t)=-Jo.

Si T OFF, D ON, i ara s elcorrent dentrada el que estanca per C. Per tant, la resta

del perode iC(t)=Ji


3/11

3

Per a una determinada aplicaci, i a partir duna tensi de bateria perfecta E=48 V, es desitja alimentaruna crrega hmica pura de valor R=3 , a una tensi de valor mig U=12 Vi arrissada despreciable.Per a tal finalitat es decideix emprar un trossejador reductor (buck) dun quadrant, amb transistor bipolari dode Schottky, i amb control PWM a freqncia de portadora constant, de valor fs=100 kHz.

El convertidor utilitza una inductncia de valor L=90 H i un condensador de sortida, C, de valorsuficientment elevat per a garantir una arrissada de la tensi de sortida despreciable.

En relaci a aquest circuit doneu resposta a les segents 8 qestions, assolint rgim de conduccicontnua del corrent a la inductncia i rgim permanent esttic de funcionament:

10.-Dibuixeu lesquema del convertidor.

(10)11.- Determineu la relaci de conducci del sistema, d=TON/TS, per a obtenir la tensi de sortida de 12V.

Al trossejador reductor12

0, 25

48

UU d E d

E

= = = =

d = 0,25 (11)12.- Determineu la potncia mitjana, PE, entregada per la fontE.

La tensi a la crrega imposa a la sortida un corrent12

43

UI A

R= = = que, en aquesta estructura,

coincideix amb el valor mig del corrent per la inductncia: 4LI I A= = . Considerant el sistema ideal, el

balan de potncies imposa ; 124 48E E

P E J E J U I P W = = = = .

PE= 48 W (12)13.- Determineu el valor de larrissada, IL, del corrent per la inductncia.

6 3

48 12 1 0,25 1

9010 10010L S

E UI d T A

L

= = =

IL= 1 A (13)


4/11

4

14.- Dibuixeu la forma dona temporal del corrent per la inductncia L, indicant clarament el nivell dezero, les escales utilitzades i els seus parmetres caracterstics (mxim, mnim, etc).

(14)15.- Dibuixeu la forma dona temporal del corrent pel condensador C, indicant clarament el nivell dezero, les escales utilitzades i els seus parmetres caracterstics (mxim, mnim, etc).

(15)16.- Demostreu que per a aquest sistema, i independentment del valor de C, en rgim permanent estticel valor mig del corrent per Cs nul.

[ ]0

1( ) (0) 0

ST

C CC C C S C

S S

du du Ci C i C dt i T i

dt T dt T = = = = ja que en rgim permanent ( ) (0)C S Ci T i= .

(16)17.- Determineuel rang de valors de la resistncia de crrega, R, que fan que el sistema treballi enconducci contnua del corrent inductiu.

El sistema treballar en conducci contnua o crtica si1

0,52 2

LL

II I A

= = = . Per tant, en el lmit de

conducci crtica tindrem que12

0,5 242 0,5

LCRI MAX

CRI

I UI A R

I

= = = = = . Per tant, com que Rha

de ser ms gran que zero i menor que la mxima resistncia, el rang sollicitat ser 0 24R< <

0 < R < 24 (17)

min

4

2 4,5

2 3,5

L

Lmx L L

L L L

I A

I I I A

I I I A

=

= + =

= =

H: 1,25 /DIVV: 0,5 A/DIV

min

( ) ( )

0,5

0,5

C L

Cmx Lmx

L L

i t i t I

I I I A

I I mn I A

=

= =

= =

H: 1,25 s/DIVV: 0,5 A/DIV


5/11

5

18.-Utilitzant transistors bipolars i dodes, dibuixeu lestructura dun trossejador reductor que enllaci ungenerador de corrent constant amb un receptor de tensi reversible en corrent i tensi.

(18)En una determinada aplicaci davinica sutilitza la tensi duna bateria, E=48 V, darrissadadespreciable,per tal datacar un inversor monofsic en pont complet, el qual ha dalimentar una crregaR-L srie caracteritzada per R=2 i L=10 mH. Sutilitza, per a linversor, un esquema de controlSSPWMamb estratgia de commutaci unipolar,essent de 400 Hz la freqncia de la moduladorasinusodal, i 40 kHzla freqncia de la portadora triangular. Es desitja aplicar a la crrega una tensiamb un harmnic fonamental de 36 V de pic.

En relaci a aquest sistema doneu resposta a les segents 5 qestions:

19.-Determineu el valor del factor de modulaci en freqncia, mf.

1

40100

400

Cf

f km

f= = =

mf= 100 (19)20.-Determineu el valor del factor de modulaci en amplitud, m

a, necessari.

Assolint modulaci lineal: 1136

0,7548

O

O a a

VV m E m

E= = = =

ma= 0,75 (20)21.-Determineu el valor de la freqncia central del primer paquet dharmnics de la tensi de sortida,fBL.

12 2 100 400 80

LB ff m f kHz= = = (unipolar)

fBL= 80 kHz (21)

22.-Dibuixeu, amb el mxim detall possible, lespectre freqencial de la tensi de sortida.

(22)

400 Hz, 36 V de pic


6/11

6

23.-Per a realitzar lanterior convertidor esttic, quins dels segents semiconductors utilitzarieu per arealitzar els seus interruptors? (Marqueu els que creieu ms adequats).

Dode RectificadorDode SchottkyDode Zener

Transistor BipolarTransistor dEfecte de Camp (MOS)IGBT

TiristorTriacGTO

(23)Lesquema de la figura mostra un inversor monofsic en pont complet, amb el seu esquema de controlbasat en un modulador per coincidncia.

En relaci a aquest sistema, doneu resposta a les segents 3 qestions:

24.-En relaci a lesquema adjunt, marqueu, dentre les indicades, totes les afirmacions certes.

Aquesta estructura permet un treball amb estratgia de commutaci de quadrada.Aquesta estructura permet un treball amb estratgia de commutaci de quasiquadrada.Amb aquest esquema de control s possible una estratgia de commutaci bipolar.Amb aquest esquema de control s possible una estratgia de commutaci unipolar.

(24)25.- En relaci a aquest mateix sistema, podem afirmar (marqueu totes les afirmacions certes).

El modulador indicat permet un control complementari dels interruptors.

Vtrirepresenta la font de tensi generadora de la moduladora triangular.

Vsin1representa la font de tensi generadora de la portadora sinusodal.

La freqncia del senyal Vtriha de ser ms gran que la freqncia del senyal Vsin1.

(25)26.-Considerant la mateixa estructura convertidora, per per a una aplicaci on la mxima freqnciade commutaci fs d1 kHz, seria possible substituir cadascun dels interruptors inicials (IGBT+dode) pertiristors (SCR)?. Justifiqueu la resposta.

No. Els SCR sn interruptors unidireccionals en corrent i bidireccionals en tensi, i al convertidor indicates requereixen interuptors bidireccionals en corrent i unidireccionals en tensi.

(26)


7/11

7

27.-Indiqueu si sn vlides o no ho sn les segents associacions de fonts.

Vlida? S No Vlida? S No Vlida? S No Vlida? S No

(27)Un rectificador tipus P1 controlat, en el que la tensi de 50 Hz en el secundari del transformador sdamplitudES= 120 V, est alimentant una crrega L-Ede valorL = 5 mH i E = 48 V. Doneu resposta ales cinc preguntes segents. Anoteu el resultat en el requadre corresponent.

28.- Essent langle dencesa e=45, determineu el valor de langle dapagata.

0,4

cos 0 ( ) 23245

S

o

ao

e

Ea

E

L pura Puschlowski

= =

= =

a= (28)29, 30 [Pes doble].-La grfica adjunta mostra dos perodes de la tensi dexcitaci al rectificador delexercici (V: 25 V/DIV). Sobre la mateixa, i a partir del resultat de la qesti anterior, dibuixeu laspectede la tensi a la crrega (qesti 28)i del corrent circulant pel tiristor (qesti 29).

(29,30)

31.- Quin hauria de ser langle dencesa, e, per tal que langle dapagat,a, fos de 200?

Mirant a labac de Puschlowski, uns 105

e= 105 (31)

Un rectificador tipus P3 controlat, de comportament ideal, est alimentat per un sistema trifsic isimtric de tensions sinusodals de 100 Vde pic i freqncia 50 Hz. (Pgina segent).

V1: 25V/DIV (Tensi crrega)V2:25 A/DIV (Corrent)V3:25 V/DIV (Tensi de fase)H: 2 ms/DIV


8/11

8

Si el rectificador P3 controlat i idealalimenta una crrega hmica purade 2 , i est controlat amb unangle dencesa e= 90, doneu resposta a les segents 3 qestions.

32.- Dibuixeu laspecte de la tensi en la crrega, tot i indicant linterval de conducci dels tiristors.

(32)33.- Dibuixeu laspecte temporal de la forma dona del corrent circulant pel tiristor T1.

(33)34.- Dibuixeu laspecte temporal de la caiguda de tensi al tiristor T1.

(34)


9/11

9

Amb el mateix rectificador P3 controlat amb un angle dencesa e= 90, i considerant una crrega decomportament font de corrent constantde 50 A, doneu resposta a les segents 3 qestions.




(37)


10/11

10

Considerant el mateix rectificador del cas anterior (e= 90, i font de corrent constantde 50 A, a lacrrega) doneu resposta a les segents 3 qestions considerant que per una falla en lelectrnica decontrol, el tiristor T2 no rep polsos dencesa a la porta .




(40)


11/11

11

En una aplicaci de baixa potncia es determina que un transistor bipolar ha de dissipar una potncia

mitja P = 50 W. La temperatura mxima permissible a la seva uni s Tj(MAX) = 125 C, essent laresistncia trmica uni-dissipador de R

j-r= 0,5 C/W.

En relaci a aquest sistema trmic, doneu resposta a les segents 2 qestions

41.-Dentre els indicats a la taula adjuntada, indiqueu, justificadament, quin s el dissipador adequat pera aquest semiconductor, considerant que la temperatura ambient s de 25 C

Dissipador n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12R

r-a(C/W) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,6 1,4 1,2 1,0 0,6 0,4 0,3 0,1

( ) ( )( )125 25

0,5 1,5 /50

j MAX o

j MAX a j r r a r a j r

T TT T P R R R R C W

P

= + = = =

Per tant, el dissipador triat ser el de menor tamany amb una resistncia trmica igual o inferior a lacalculada: el nmero 6.

Dissipador n: 6 (41)42.- Per al mateix semiconductor (Tj(MAX) = 125 C, i Rj-r = 0,5 C/W) i les mateixes condicions dedissipaci (P = 50 W), determineu quin dissipador shauria demprar al cas de preveure que latemperatura ambient pugui oscillar entre els 20 Ci els 75 C.

Considerant la temperatura ambient mxima de 75 C, es tindr:

( ) ( )( ) 125 75 0,5 0,5 /50j MAX MAX o

j MAX a j r r a r a j rT TT T P R R R R C W

P = + = = =

Com que aquesta s la mxima resistncia trmica, el menor dissipador a emprar ser el nmero 10.

Dissipador n: 10 (42)43.- Definiu, de forma clara i concisa, qu sentn per temps dapagat dinmic o turn-off timeduntiristor.

El turn-off time, o temps dapagat dinmic dun tiristor s el mnim temps que el dispositiu ha destarbloquejat en inversa per tal que pugui suportar un bloqueig en directa estable.

(43)

Documents

2007 Examen Final