S Hakkuriteholähteet Tentti

Transkriptio

1 S Hakkuriteholähteet Tentti Tehtävistä 1-5 aksiipisteäärä on 5*5. Lisätehtävästä 6 saa yhen lisäpisteen kun sen palauttaa. 1. Jännitettä nostavassa katkojassa lähtöjännite o = 48 V ja syöttöjännite vaihtelee rajoissa 10 V 15 V. Lähtöteho P o 10 W ja katkontataajuus ƒ s = 300 khz, = 47 F. Laske tarvittava suoatusinuktanssi L, jotta katkojan toiinta pysyy jatkuvalla alueella. Laske lähtöjännitteen vaihtelu o, kun toiitaan tällä inuktanssin arvolla.. Hakkuriteholähteen tasasuuntaajassa on tehokertoien korjaus. Se on toteutettu yksivaiheisella ioisillalla ja jännitettä nostavalla katkojalla. Verkon vaihejännitteen tehollisarvo on 30 V ja taajuus 50 Hz. Tasasuuntaajaa kuoritetaan 1000 W:lla tasajännitteen ollessa 370 V ja suoattien konensaattorin 100 F. a) Piirrä tasasuuntaajan sijaiskytkentä ja selitä sen toiintaperiaate lyhyesti. (1 p.) b) Laske lähön tasajännitteen vaihtokoponentin suuruus, kun lähtövirta oletetaan tasoittuneeksi, hyötysuhe 100 prosentiksi sekä kytkentätaajuus korjauspiirissä äärettöän suureksi. ( p.) c) Mittauksissa on toettu, että verkkovirran tehokerroin PF = 0,96 ja perusaallon tehokerroin DPF = cos = 1. Kuinka suuria ovat verkkovirran tehollisarvo sekä perusaallon tehollisarvo. Vertaa lyhyesti tilanteeseen, jossa korjauspiiriä ei käytetä. ( p.) 3. Kokosiltahakkurin uuntaja on rakennettu ferriitistä, jonka agnetoituis- ja häviökäyrät ovat seuraavien kuvien ukaiset (örstet = 1/(4π) 10 3 A/. Kun syöttöjännite = 180 V, ohjaussuhe D = 0,5, ƒ s = 100 khz, B = 0, T (Wb/ ax ) = 000 gaussia, agnetoiisvirran huippuarvoksi on itattu 0,5 A. Laske uuntajan syäen häviöteho, kun läpötila on 5. Magneettipiirin inuktanssi voiaan laskea yhtälöstä L N R N A l, jossa N on kääin kierrosluku, ateriaalin pereabiliteetti, A syänateriaalin poikkipinta-ala ja l agneettipiirin keskiääräinen pituus.

2 4. Mitkä tekijät vaikuttavat hakkuriteholähteen hyötysuhteeseen? Miten hyötysuhetta voiaan parantaa? 5. Miksi hakkuriteholähteissä tarvitaan takaisinkytketty säätö? Mitä perusperiaatteita sääön suunnittelussa on otettava huoioon? 6. Muutaa palautekysyys kurssiin liittyen. (1 p) Palauta tää sivu ja erkitse rasti niesi kohalle läsnäololistaan (nietön palaute) tai lisää niesi tähän palautettavaan paperiin. Mikä on yleisarvosanasi koko kurssista Miten käytetyt opetusenetelät tukivat oppiista Miten tyytyväinen ole oaan oppiispanokseesi Kurssin työäärä oli liian suuri sopiva Arvioi Suprati Basun vierailuluentoja osana kurssia. Vierailuluennoista oli hyötyä oppiisessa vähän paljon Vierailuluentoja oli liian vähän eri ieltä sopivasti saaa ieltä Vierailuluentojen arvosana Myös piepi kirjallinen palaute on tervetullut joko nyt tentin yhteyessä tai sen jälkeen.

3 S Switch Moe Power Supplies Exa Questions in English For questions 1-5 axiu points is 5*5. Question 6 gives one extra point when returne. 1. n step-up converter (Boost) the output voltage o = 48 V an supply voltage changes between 10 V 15 V. Output power P o 10 W an switching frequency ƒ s = 300 khz, = 47 F. alculate the neee inuctance so that the operation is always in continuous conuction oe. alculate the output voltage ripple o when this inuctance value is use.. The rectifier of a switch oe power supply is equippe with an active power factor correction circuit. t has been realize with a single-phase ioe brige an step-up converter. Rs value of the supply voltage is 30 V an frequency 50 Hz. The rectifier is loae with 1000 W an the cvoltage is 370 V an filtering capacitor is 100 F. a) Draw the equivalent circuit of the rectifier an explain its operating principle shortly. (1 p.) b) alculate the ac coponent in the output c-voltage of the rectifier. The output current can be assue to be ieal c, efficiency of the rectifier 100 % an the switching frequency of the step-up converter large. c) Base on easureents it is observe that the power factor in the supply sie PF = 0,96 an isplaceent power factor (funaental) DPF = cos = 1. alculate the rs value of line current an its funaental coponent. Give a short written coparison to the case without any power factor correction circuit. ( p.) 3. Transforer of a full-brige converter is built using ferrite aterial, which agnetizing an loss wavefors are shown below (örstet = 1/(4π) 10 3 A/). Supply voltage = 180 V, uty cycle D = 0,5, ƒ s = 100 khz, B = 0, T (Wb/ ax ) = 000 Gauss an the easure peak value of the agnetizing current is 0,5 A. alculate the losses of the transforer core when teperature is 5. nuctance of the agnetic circuit can be calculate fro L N R N A l where N is nuber of turns, pereability of the ferrite, A surface area of the core, an l average length of the agnetic circuit.

4 4. Which factors have an effect on the efficiency of a switch oe power supply. How efficiency can be iprove? 5. Why feeback control is neee in switch oe power supplies. What basic principles nee to be taken into account when esigning feeback control? 6. Soe feeback question relate to the course. (1 p) Return this page an ark a cross next to your nae in the attenance list (anonyous feeback) or a your nae in this page an return it. What is your overall grae of the course Teaching ethos supporte y learning Satisfaction with own stuy effort Work aount of the course too uch suitable Evaluation of Suprati Basus quest lectures. Quest lectures supporte y learning little uch There were too few quest lectures isagree enough agree Overall grae of the quest lectures Also written feeback is welcoe either uring the exa or later.

5 TEHTÄVÄ 1. + V L + - v L i L i o R V o - Nostavan katkojan kuristien virta jatkuvan ja aukottuvan toiinta-alueen rajakohassa on esitetty seuraavassa kuvassa. v L il i Lpeak L = LB t t on t off T s Luennoissa on johettu jatkuvalla alueella yhtälöt O 1 1 D (1.1) D , ,791 O Kytkentä on häviötön josta seuraa O O O 1 D, (1.) O jotka pitävät paikkansa yös toiinta-alueien rajakohassa toiittaessa. Eellisestä kuvasta saaaan kuristien virran keskiarvoksi joka nostavassa katkojassa on saa kuin tasajännitelähteestä otetun virran keskiarvo. LB ilpeak TS O ton D(1 D) (1.3) L L ja käyttäällä (1.):ta lähtövirran keskiarvoksi saaaan

6 T S O OB LB ( 1 D) D(1 D). (1.4) L Jos lähtövirran keskiarvo on alle tään, se aukottuu. Ohjaussuhteen arvo, jolla e. virta on aksiissaan saaaan erivoialla. OB D 3D TS L O (1 D) D(1 D) 0 4 4D 1 0 D (1.5) Eli aksii saaaan ohjaussuhteella 1/3. Vaaitaan, että saatu lähtövirran obax arvo on lähtövirran iniarvo käytettävässä kytkennässä. Tällöin lähtövirta on aina raja-arvoa suurepi ja se ei aukotu issään toiintapisteessä. T T L (1.6) S O S O OB ax Oin in 7 L 7 Oin Tarvittavan kuristien arvo saaaan laskettua lähtövirran iniiarvon avulla. Lähtötietoina on annettu; lähtöteho P o 10 W ja lähtöjännite o = 48 V => o 10/48 A. (1.7) eli kun kuristin on suurepi kuin eellinen iniiarvo, hakkuri toiii kaikissa toiintapisteissä jatkuvalla alueella. Tehtävässä toiintapiste on kuitenkin D = 0,687. 0,791 eli eellä saatu D:n arvo 1/3 on tään ulkopuolella. Tässä tapauksessa inuktanssi voi olla eellä laskettua arvoa pienepi ja se on ( ) (1.8) joka on laskettu D:n arvolla 0,687. Arvolla 0,791 laskettu inuktanssin arvo on pienepi, utta silloin katkoja toiii käytännössä aina aukottuvalla alueella.

7 i D Q Q D = o t t on t off v o V o V o Q ODTS O DTS O (1.9) R Jatkuvalla toiinta-alueella O 1 10 D , 79 (1.10) 1 D O 48 jolloin lähtöjännitteen huipusta huippuun vaihtelu laskettuna suurialla ohjaussuhteella on (1.11) t TEHTÄVÄ. a) Katso luentoateriaali

8 b) Kun jännite ja virta oletetaan siniuotoisiksi ja saanvaiheisiksi niin tehon hetkellisarvo p sint sint cos t i (1.1) in s s s s s s kun lisäksi tasasuuntaajan hyötysuhe on oletettu saaksi prosentiksi. Tasavirta jakautuu kuroan ja konensaattorin virraksi ja ss ss i i cos t cos t (1.13) jonka perusteella konensaattorin virta on s s i cos t cos t (1.14) ja sen jännitteen vaihtelu voiaan laskea integroialla 1 u, ripple i t cos t (1.15) Tasavirran keskiarvo P 1000 A, jolloin konensaattorin jännitteen huippuarvo 370 uˆ, ripple 43 V (1.16)

9 c) PF V cos s s1 1 s1 cos1 (1.17) Vs s s P s 1 4,35A (1.18) s s PF s1 cos1 4,53A (1.19) lan korjauspiiriä perusaallon tehokertoien voi arvioia suunnilleen yhtä suureksi ja yös perusaallon. Virran tehollisarvo sen sijaan on toennäköisesti paljon suurepi, koska virrassa on suuri piikki jännitteen huippuarvon kohalla. Tään vuoksi yös tehokerroin on tässä tapauksessa paljon huonopi. TEHTÄVÄ 4. Kokosiltahakkurissa agnetointi on kaksisuuntainen ja Bax = 0, T = Gaussia on suurin vuon arvo. Häviökäyrästä nähään, että 100 khz:n katkontataajuuella häviöteho on 400 W/c 3. Ongelaksi jää siis ratkaista uuntajasyäen tilavuusv A l. Kun resistiivisiä häviöitä ei huoioia, syöttöjännite on yhtä suuri kuin vuon uutos. B N NA NA B ax (1.0) t t t DTS Kerroin johtuu siitä, että kyseessä on kokosilta eli vuo uuttuu negatiivisesta arvosta yhtä suureen positiiviseen arvoon. Syäen poikkipinta on siten A DT S (1.1) NBax 4NBax f s kun ohjaussuhteena on käytetty suurinta ahollista arvoa eli 0,5. Yhtälössä on eelleen tunteattoana kierrosluku N. Siihen päästään käsiksi agnetoiisvirran ja -inuktanssin avulla. Magnetoiisvirran huippuarvo tunnetaan ja toisaalta se voiaan laskea agnetoiisinuktanssin avulla. iˆ DT DT S S L (1.) L ˆ i jossa jako kahella johtuu saasta asiasta kuin yhtälössä (4.1) kertoinen kahella. Magnetoiisinuktanssi puolestaan riippuu syäen pinta-alasta ja pituuesta.

10 L N R (1.3) N A l Merkitään eelliset yhtälöt yhtä suuriksi, jolloin L DT N A N A S l iˆ (1.4) ˆ i l DTS Syäen tilavuus voiaan nyt laskea, kun apuna käytetään ensiäiseksi johettua pinta-alaa kaksi kertaa. N A ˆ i V A l i NA N B f DT B D ˆ 4 ax s S 4 ax iˆ iˆ N 4 N B f 4 B D 4B Df ax s ax ax Tilavuuen nueroarvon laskeiseksi tarvitaan ferriitin pereabiliteetti. Sen suuruus voiaan arvioia B H käyrästä. Vuon tiheys on alle 0, T, jolloin liikutaan varsin lineaarisella alueella. Käytetään 5 :n ylepää hystereesisilukkaa, jolloin on suurin ja yös tilavuus ja siten häviöt suuriat. Tällöin 000G 0,T 3 5,58*10 (0,5 0,5)örstet 1 3 0,5 10 A/ 4π yös seuraavat 0,5 uutettu uuntajasyäen tilavuus s Vs A A, tarkista tää lasku ja ja syäen häviöt V ( ) ( ) ˆ 3 i 170*5,58*10 **0,5 3 9,67c 4B Df (4*0, ) *100*10 *0,5 ax s 3 3 TEHTÄVÄ 4. Täysiin pisteisiin vaaittiin suurinta osaa alla olevista asioista vähän piein selitettynä kuin alla. -kytkeishäviöt, kytkeistaajuuen nosto kasvattaa niitä, käyttäällä nopeapia koponentteja, joissa nousu- ja laskuajat pienepiä häviöt pienenevät

11 -resonanssitekniikat => eellä olevat kytkeishäviöt saaaan periaatteessa nolliksi -kytkentäsuojapiirit, hyvin suunniteltuna kytkeishäviöt pienenevät ja hyötysuhe nousee, yös suojien energian takaisinsyöttö on joissain ratkaisuissa ahollista -johtohäviöt, joko vakiojännite (ioit) ja vastus. Dioeja voiaan korvata lähössä ohjattavilla MOSFETeilla, synchronous rectification tai Schotky ioeilla. Johotusten ys. vastusten vaikutusta voiaan pienenttää johtiien poikkipintaa kasvattaalla. -Magneettisten koponenttien häviöt, kääityksen häviöt sekä syänateriaalin häviöt (hystereesi). Voiaan vaihtaa vähähäviöisepään ateriaaliin tai pienentää kytkeistaajuutta. Kääityksissä saoin kuin eellä johtien poikkipintaa voiaan kasvattaa, jos vain ahtuu varattuun tilaan -Ylipäätään topologialla on vaikutusta, koska kytkiien äärä voi uuttua. TEHTÄVÄ 5. Alla on joitakin vastauksessa vaaittuja asioita. -tarkkaan ja hyvällä ynaiikalla sääetty lähtöjännite vaikka syöttöjännite tai lähtövirta uuttuvat => säätäjien virittäiseen tarvitaan alli järjestelästä -tilayhtälöien keskiarvoistainen, allia voiaan käyttää kun taajuus on alle kytkeistaajuuen puolikas, keskiarvoistainen voiaan tehä joko tilayhtälöistä tai keskiarvoistaalla kytkin -jatkuva ja aukottuva alue, aukottuvalla alueella siirtofunktiosta puuttuu yksi napa -syöttöjännitteen yötäkytkentä -virtäsäätö on sisepi ja nopeapi silukka, rajoittaa yös virran aksiiarvo, autoaattinen syöttöjännitteen yötäkytkentä, siirtofunktio ensiäistä astetta kurssissa käsitellyssä analyysissä, virtasäätö voiaan toteuttaa vakiotaajuuella tai esi. kaksipistesäätönä, tarvitaan kopensointijännite ns. slope copensation