S Power Electronics Exam

Samankaltaiset tiedostot
S Power Electronics Exam Answer all five questions (in English, Finnish, Swedish). Questions in Finnish are on the reverse side.

S Power Electronics Exam

ELEC-E8403 Converter Techniques Exam

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Capacity Utilization

Huom. tämä kulma on yhtä suuri kuin ohjauskulman muutos. lasketaan ajoneuvon keskipisteen ympyräkaaren jänteen pituus

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Efficiency change over time

16. Allocation Models

The Viking Battle - Part Version: Finnish

The CCR Model and Production Correspondence

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S Suuntaajatekniikka Tentti

S Sähkön jakelu ja markkinat S Electricity Distribution and Markets

Exercise 1. (session: )

FYSE301(Elektroniikka(1(A3osa,(kevät(2013(

Returns to Scale II. S ysteemianalyysin. Laboratorio. Esitelmä 8 Timo Salminen. Teknillinen korkeakoulu

Alternative DEA Models

Luku 10 Tehoelektroniikka. ELEC-C6001Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

S Suuntaajatekniikka Tentti

ELEC-E8421 Tehoelektroniikan komponentit

FYSE301 Elektroniikka I osa A Loppukoe (Vastaa kaikkiin viiteen tehtävään)

A DEA Game II. Juha Saloheimo S ysteemianalyysin. Laboratorio. Teknillinen korkeakoulu

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Kvanttilaskenta - 2. tehtävät

Kvanttilaskenta - 1. tehtävät

AKKREDITOITU KALIBROINTILABORATORIO ACCREDITED CALIBRATION LABORATORY SGS FIMKO OY

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Other approaches to restrict multipliers

1. SIT. The handler and dog stop with the dog sitting at heel. When the dog is sitting, the handler cues the dog to heel forward.

S Sähkön jakelu ja markkinat S Electricity Distribution and Markets

LYTH-CONS CONSISTENCY TRANSMITTER

ELEC-E8419 syksy 2016 Laskeminen tietokoneohjelmilla 1

3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat.

Luku 10 Tehoelektroniikka. ELEC-C6001Sähköenergiatekniikka ja Prof. Jorma Kyyrä

Capacity utilization

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

812336A C++ -kielen perusteet,

Suomen Aurinkolämpö Oy

DEE Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt. Tasavirtakäyttö

3. Esittele kirjassa esitetyt puolijohdetehokomponenttien jäähdytysmenetelmät ja -laitteet sekä niiden keskinäiset edut ja haitat.

ELEC-E8421 Tehoelektroniikan komponentit 1 (9) Tentti , kello 13: :00, sali AS1

FYSE301 Elektroniikka I osa A Loppukoe Vastaa kaikkiin viiteen kysymykseen

AKKREDITOITU KALIBROINTILABORATORIO ACCREDITED CALIBRATION LABORATORY SGS FIMKO OY

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

2_1----~--~r--1.~--~--~--,.~~

AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF ELECTRICAL ENGINEERING Master s Programme in Automation and Electrical Engineering

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

( ( OX2 Perkkiö. Rakennuskanta. Varjostus. 9 x N131 x HH145

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

Tynnyrivaara, OX2 Tuulivoimahanke. ( Layout 9 x N131 x HH145. Rakennukset Asuinrakennus Lomarakennus 9 x N131 x HH145 Varjostus 1 h/a 8 h/a 20 h/a

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Multilevel voltage source inverters in medium voltage drives

WindPRO version joulu 2012 Printed/Page :42 / 1. SHADOW - Main Result

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

Metsälamminkankaan tuulivoimapuiston osayleiskaava

Jari Nieminen / Mikkeli AMK ABB Varmennettu sähkönsyöttö. ABB Group November 26, 2014 Slide 1


TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

Raportti Yksivaiheinen triac. xxxxxxx nimi nimi Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

HARJOITUS- PAKETTI A

VAASAN YLIOPISTO Humanististen tieteiden kandidaatin tutkinto / Filosofian maisterin tutkinto

Infrastruktuurin asemoituminen kansalliseen ja kansainväliseen kenttään Outi Ala-Honkola Tiedeasiantuntija

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

Bounds on non-surjective cellular automata

An FPGA Implementation of a Power Converter Controller

1.3Lohkorakenne muodostetaan käyttämällä a) puolipistettä b) aaltosulkeita c) BEGIN ja END lausekkeita d) sisennystä

Sähkötekniikka ja elektroniikka

21~--~--~r--1~~--~--~~r--1~

( ,5 1 1,5 2 km

Results on the new polydrug use questions in the Finnish TDI data

Telecommunication Software

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

WindPRO version joulu 2012 Printed/Page :47 / 1. SHADOW - Main Result

,0 Yes ,0 120, ,8

S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (12) Tentti , kello , sali S3

Tarua vai totta: sähkön vähittäismarkkina ei toimi? Satu Viljainen Professori, sähkömarkkinat

Tasavirtakäyttö. 1 Esiselostus. TEL-1400 Sähkömoottorikäyttöjen laboratoriotyöt

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

1.3 Lohkorakenne muodostetaan käyttämällä a) puolipistettä b) aaltosulkeita c) BEGIN ja END lausekkeita d) sisennystä

RE11LMBM. Tuotelehti Tuntomerkit. Pääasiallinen. Vastaavanlainen 1 / 6

toukokuu 2011: Lukion kokeiden kehittämistyöryhmien suunnittelukokous

S Tehoelektroniikan komponentit J. Niiranen 1 (13) Tentti , kello , sali S4

Operatioanalyysi 2011, Harjoitus 2, viikko 38

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

MUSEOT KULTTUURIPALVELUINA

Sähkötekniikan perusteita. Pekka Rantala Syksy 2016

TM ETRS-TM35FIN-ETRS89 WTG

Mat Seminar on Optimization. Data Envelopment Analysis. Economies of Scope S ysteemianalyysin. Laboratorio. Teknillinen korkeakoulu

Network to Get Work. Tehtäviä opiskelijoille Assignments for students.

SIMULINK S-funktiot. SIMULINK S-funktiot

Transkriptio:

S-81.2110 Power Electronics Exam 12.1.2015 Answer all five questions (in English, Finnish or Swedish). Questions in Finnish are on the reverse side. 1. In a Buck converter the output current is assumed to be a constant DC of I o = 6 A. The switching frequency f s = 200 khz, input voltage V in = 24 V and output voltage V o = 10 V. The MOSFET used in the converter has the following switching times: rise and fall times of current t ri = 28 ns, t fi = 15 ns, fall and rise times of voltage t fv = 22 ns, t rv = 25 ns. The on-state resistance of the MOSFET R DS;on = 20 m. (a) Calculate the average switching power loss and the average conduction loss in the MOSFET. (b) The diode has a forward voltage drop V FM = 0,7 V. Calculate the average forward power loss in the diode. (c) Calculate the efficiency of the converter. What is the efficiency of a linear power supply in the same operating point? 2. In a buck (step-down) converter, the input voltage Vin = 10 V, the switching frequency fs = 100 khz, and the switch duty ratio D = 0,75. Draw the waveform of the unfiltered output voltage. Calculate its average value and the rms magnitudes of its harmonic components at 100 khz and 200 khz.. A three-phase thyristor rectifier is connected to a 50 Hz supply with an rms line-to-line voltage of 400 V. Assume that the thyristors are ideal and that the load is an ideal DC current source of 50 A. (a) Draw the input and output voltage and current waveforms when the control angle is 60. (b) Derive equations for and calculate the average value of the DC voltage, the total harmonic distortion of the line current and (c) the active power consumed by the rectifier. As there is no line inductance on the ac-side the commutation time can be ignored. 4. The single-phase inverter shown in the figure below operates in square-wave area, i.e. the switching pole is connected to the positive dc-bus half of the time and second half to the bus. There is a phase displacement of 180 degrees between A and B. We are assuming that the output current i o is sinusoidal and delayed 60 degrees in respect to the voltage v o. a) Draw the waveforms of the voltages v Ao, v Bo, v AB and currents i o, i TA+, i DA+ ja i TB+, i DB+, i d. b) Calculate the output power and the mean value of the dc-current i d when the peak value of the output current i o is 50 A and the dc-voltage V d = 00 V. 5. Compare with each other line- and self-commutated converters. Also the names line-frequency and switch-mode are used. What are the differences in the operating principles of these two converter types and what are the advantages and disadvantages. Also, give an example of a converter operating with each principle. 1 Fourier-series: f ( t) a0 ahcos h t bhsin h t 2 h 1 1 2 1 2 ah ( )cos, 0,, ( )sin, 1,, f t h t d t h b 0 h f t n t d t h 0

S-81.2110 Power Electronics Exam 12.1.2015 Vastaa kaikkiin viiteen kysymykseen joko suomeksi, ruotsiksi tai englanniksi. Kysymykset englanniksi löytyvät paperin toiselta puolelta. 1. Jännitettä laskevan katkojan (Buck) lähtövirta oletetaan ideaaliseksi tasavirraksi I o = 6 A. Kytkemistaajuus f s = 200 khz, tulojännite V in = 24 V sekä lähtöjännite V o = 10 V. Katkojassa käytetyn MOSFETin kytkentä-ajat ovat: virran nousu- ja laskuaika t ri = 28 ns, t fi = 15 ns sekä jännitteen lasku- ja nousuaika t fv = 22 ns, t rv = 25 ns. MOSFETin johtotilan vastus R DS;on = 20 m. (a) Laske kytkentäjakson häviöteho ja johtohäviöt MOSFETissa. (b) Diodin päästöjännite V FM = 0,7 V. Laske diodin häviöteho. (c) Laske katkojan hyötysuhde. Mikä on lineaarisen teholähteen hyötysuhde vastaavassa toimintapisteessä? 2. Jännitettä laskevan katkojan (Buck) syöttöjännite on 10 V, kytkemistaajuus 100 khz ja kytkimen suhteellinen johtoaika 0,75. Piirrä suodattamattoman lähtöjännitteen käyrämuoto. Laske sen keskiarvo sekä 100 ja 200 khz:n harmonisten tehollisarvot.. Kolmivaiheinen tyristoritasasuuntaaja on kytketty 50 Hz verkkoon, jonka pääjännitteen tehollisarvo on 400 V. Tyristorit oletetaan ideaalisiksi ja kuorma ideaaliseksi 50 A tasavirtalähteeksi. (a) Piirrä tulo- ja lähtöpuolen jännitteiden ja virtojen käyrämuodot kun ohjauskulma on 60. (b) Johda yhtälöt ja laske lukuarvot tasajännitteen keskiarvolle ja verkkovirran särökertoimelle (THD) sekä (c) tasasuuntaajan kuluttamalle pätöteholle. Koska sähköverkossa ei ole induktanssia, kommutoimiskulman vaikutusta ei tarvitse ottaa huomioon. 4. Alla oleva yksivaiheinen vaihtosuuntaaja toimii täydellä ohjauksella eli vaihtokytkin on kytkettynä puolet ajasta positiiviseen dc-jännitteeseen ja puolet kiskon. Pisteiden A ja B jännitteiden välillä on 180 asteen vaihesiirto. Lähtövirta i o oletetaan sinimuotoiseksi ja se on 60 astetta jäljessä lähtöjännitettä v o. c) Piirrä jännitteiden v Ao, v Bo, v AB ja virtojen i o, i TA+, i DA+ ja i TB+, i DB+,.i d käyrämuodot. d) Laske lähtöteho ja tasavirran i d keskiarvo kun lähtövirran i o huippuarvo on 50 A ja tasajännite V d = 00 V. 5. Vertaa keskenään verkko- ja itsekommutoivia suuntaajia. Niitä kutsutaan joskus myös vastaavasti verkkotaajuisiksi ja kytkemistekniikkaan perustuviksi. Mitkä ovat näiden kahden suuntaajatyypin toiminnan periaatteelliset erot ja mitä niidet edut ja haitat ovat. Mainitse lisäksi esimerkki kummastakin suuntaajatyypistä. 1 Fourier-sarja: f ( t) a0 ahcos h t bhsin h t 2 h 1 1 2 1 2 ah ( )cos, 0,, ( )sin, f t h t d t h b 0 h f t n t d t 0 h 1,,

S-81.2110 Power Electronics Solutions, Exam 12.1.2015 Question 1 The average switching losses are P sw = 1 2 V ini o (t c,on + t c,off )f s 1, W where t c,on = t ri + t fv and t c,off = t rv + t fi and the given data is applied. The duty ratio is = V o V in 0,42. Hence, the average conduction losses in the MOSFET are P cond = DR DS,on I o 2 0,02 W. The average forward power loss in the diode is P diode,f = (1 D)V FM I o 2,46 W. The average output power is P o = V o I o = 60 W. The efficiency is The efficiency of a linear power supply is η = V oi o V in I in = V o V in 41,7 % η = P o P o = 9,7% P in P o + P sw +P cond +P diode,f since I o = I in holds in the case of linear power supplies.

QUESTION 2

QUESTION DC voltage follows one of the line-to-line voltages and it repeats similar six times during a period of the line voltage. When control angle is used the turning of the thyristors is delayed the same amount. Therefore, average of the DC voltage can be calculated as: V d = 1 2 6 6 +α 2V rms cos x dx = 2V rms (sin ( 6 + α) sin ( 6 + α)) 6 +α 270.1 V This can be calculated as shown on Pages 28-29 of the textbook too. = 2V rms cos(α) In order to find the total harmonic distortion (THD) of the line current the rms values of the line current and its fundamental are necessary. Line current is positive for 120 degrees, zero 60 degrees, negative 120 degrees and again zero 60 degrees during one line cycle. This means that it differs from zero 2/rds of the line cycle. The line current s rms value is I rms = 1 2 2 i2 dx = 1 0 i2 dx = I d 1 2 = I d 2 40.82 A When using the same place of origo as in calculating the rms value and by using the Fourier series, the rms value of the line current s 1st harmonic is I 1 = 1 2 2 i cos x dx = 2 2 I dsin ( ) = 6 I d 9 A Then by definition the THD is: THD = I distortion I 1 = I 2 2 rms I 1 = I 1 P 2 6 2 = 2 9 1 0.1 6 = V d I d 1.5 kw As the rectifier can be considered ideal (no losses) power can be calculated from the AC side too: P = VI 1 cos φ = VI 1 cos α = 400 9 cos(60) W 1.5 kw The phase shift between voltage and fundamental component of current is equal to the control angle.

QUESTION 4