EKSAMEN
Emnekode:
IRE35117
Emnenavn:
Kraftelektronikk og mikrokontrollere
Dato: 11 desember 2020 Sensurfrist: 04.januar.2021
Eksamenstid:
4 timer Antall oppgavesider: 6
Antall vedleggsider: 0
Faglærer:
Geir Helge Sandmark & Helge E. Mordt Oppgaven er kontrollert:
Reidar Nordby Hjelpemidler:
Kalkulator, Lærebok og formelark
Om eksamensoppgaven:
Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig
Oppgave 1
I figur er det vist et skjema for en DC/DC konverter hvor Q1 og Q2 arbeider i parallell.
Figur 1 DC/DC konverter
a) Er denne omformeren bidireksjonal? (Svaret skal begrunnes.)
b) Forklar kort hvordan omformeren fungerer, og hva slags type omformer dette er.
c) Gitt iL peak = 10 A, tegn opp strømmen iL(t) for en periode når omformeren er på grensen mellom diskontinuerlig og kontinuerlig modus. Bruk 1cm = 1A, D=0.6 (D= duty cycle)
d) Utled forholdet;
𝑉𝑜
𝑉𝑑= 𝑓(𝐷)
e) Hva menes med ILB og IOB
f) Utled et uttrykk for ILB og IOB uttrykt ved Ts, Vo, D og L g) For hvilken verdi av D inntrer IOBmax og ILBmax
h) Finn uttrykket for IOBmax og ILBmax uttrykt ved Ts, Vo, D og L
Omformeren skal benyttes for å koble en Brenselceller mot en batteribank. Brenselcella omformeren har en tomgangspenning på 40 V og utgangspenningen 5V ved full last. Maksimal strøm for brenselcella er 40A. Batteribanken består av 2 seriekoblede AGM batterier, hvor hvert batteri har en spenning 12V, nominelt. SOC spenningen for batteribanken går fra 25.56 V ved 100% kapasitet til 23.12 V ved 30% kapasitet.
Det skal benyttes en to-punkts ladekarakteristikk. (Bulk og Absorption))
Fra X% - 80 % skal det kjøres en bulkladning av batteriene, ): Brenselcella skal levere Pmax inntil batteriet er 80% ladet.
Deretter skal utgangspenningen holdes konstant på 28.2 V inntil ladestrømmen har sunket til <
1A. Når dette stoppes brenselscella.
Figur 2 Karakteristikk brenselcella
80% tilsvarer en batterispenning på 24.8 V
i) Gjør en beregning av D ved oppstart av ladning (Ubat = 24 V) og ved overgang fra bulk ladning til absorption. (Ubat = 28.0 V) Ladestrømmen har da sunket til 5 A (Kontinuerlig
operasjonsmodus)
j) Strømmen gjennom spolen L skal være kontinuerlig for I > 4 A. Gitt switchefrekvens 30 kHz, finn L gitt Vo= 24.5V.
Under diskontinuerlig modus gjelder følgende forhold;
𝐷 = 𝑉𝑜 𝑉𝐷√ 𝐼𝑂
𝐼𝑂𝐵𝑚𝑎𝑘
k) Gitt Vo = 28.2 V og Vd=32V og Io=1A, finn verdien på D.
l) Hittil er det regnet med ideelle komponenter. Forklar hvordan et ledespenningsfall på 1 V over hver av diodene vil påvirke D under bulkladning. (Ubat = 24 V) Hvor mange % endring blir det i D i forhold til det ideelle tilfellet.
m) Anta at L og C kan regnes som ideelle komponenter, mens Diodene har et spenningsfall på 1 V og Q1, Q2 har Rdson = 0.01ohm hver for seg. Beregn virkningsgraden for omformeren gitt Vd=16V, Id=25A og Vo=24V.
n) Foreslå en reguleringsstruktur for omformeren. Tegn opp kretsen og marker målepunktene.
Tegn et blokkskjema med angivelse av funksjonen til den enkelte blokk.
Oppgave 2
I forbindelse med et prosjekt, som har 24 V DC og 5 V DC som systemspenning skal det benyttes et rele for styring. Det aktuelle rele har merkespenning 12 V DC, nøkkeldata fremgår av figur.
Figur 3 Driving av rele
For å unngå seriemotstand som skal ta ned spenningen vurderer du å benytte en PBM modulering
a) Tegn om en ekvivalent krets hvor L og R er fremhevet hver for seg.
b) Hva slags type konverter ligner dette på?
c) Beregn verdien på D.
d) Bestem hvilken frekvens du må ha på PBM modulatoren for at rippelstrømmen på L skal være 10% av nominell strøm gjennom releet.
e) Skriv forslag til et program som kan styre MOSFET
Oppgave 3
En elektromagnet for separering av magnetisk metall, har følgende data:
220 V DC/10 A
Figur 4 Magnetisk separator
Enheten skal mates fra en enfase helbro likeretter. Da L er stor kan lasten symboliseres som en strømkilde som vist i figur.
I oppgaven første del kan vi se bort fra Ls og regne diodene som ideelle a) Beregn spenningen Vs som gir Vd0 = 220 V DC.
b) Skisser spenningen Vd0(t) og is(t) for en periode.
For å oppnå korrekt spenning kobles en enfase transformator med merkeytelse 3kVA mellom 400 V nettet og likeretteren. Transformatoren representerer en Ls på 6.7 mH.
Spenningsfallet over en diode er 1 V
d) Forklar kort hvordan innkoblingen av transformatoren vil påvirke Vd.
e) Beregn omsetning og sekundærspenningen på transformatoren i nominell drift. (Ser bort fra tap i transformatoren)
f) Hva er effekttapet i diodebroen?
Følgende data er gitt for diodebroen av typen 36MB-A
Likeretter, transformator og tilhørende skap monteres i skap hvor
omgivelsestemperaturen er max 40oC. Likeretteren monteres på en kjølefinne som eksponeres direkte mot omgivelsene.
g) Beregn den termiske motstanden for kjølefinnen slik at maksimal temperatur diodechipen er 90oC
