E K S A M E N S O P P G A V E

Transkript

1 HØGSKOLEN I AGDER Fakultet for teknologi E K S A M E N S O P P G A V E EMNE: FAGLÆRER: ELE 7351 Kraftelektronikk OleMorten Midtgård Klasse(r): 3ENTEK Dato: Eksamenstid, fratil: 09:00 12:00 Eksamensoppgaven består av følgende Antall sider: 6 inkl. forside Antall oppgaver: 3 Antall vedlegg: 3 (kurveark) Tillatte hjelpemidler er: Godkjent lommekalkulator Alt av skriftlig materiale KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG Alle deloppgavene (totalt 12) teller likt ved bedømmelsen. Lykke til! NB! Vedlagt eksamensoppgaven er det tre like kurveark som kan brukes til oppgave 3a. Riv ut ett av arkene, og legg det ved besvarelsen. De to øvrige kan du bruke til kladd, og disse beholder du selv. Husk å føre på kandidatnummer!

2 Oppgave 1: Energilagring og reservekraft / UPS Figuren under viser et system for elektrisitetsforsyning til en trefase last, benevnt AC Last. Anlegget fungerer som en avbruddsfri strømforsyning, og er samtidig et pilotanlegg for hydrogenteknologi (elektrolysør og brenselcelle). I tillegg fins et solcelleanlegg. Det er fire kraftelektroniske omformere i systemet, benevnt A, B, C og D, som alle antas tapsfrie. DCspenningene V E, V FC og V PV er alltid lavere enn V DC (spenningen på DC bus). PV (solcellepaneler) og FC (brenselcelle) er produsenter av elektrisitet, mens ELY (elektrolysør) er forbruker. Batteribankens ladestrøm er 20 A (strømmen batteribanken trekker når den lades opp). Linjespenningen ved tilkoplingspunktet til AC Last, V R, holdes konstant lik 230 V (rms), og lasten trekker kontinuerlig aktiv effekt P = 57 kw og reaktiv effekt Q = 28 kvar. DC bus V DC ELY B V E H 2 V S Trefase AC kilde 50 Hz 1:1transformator X = 0.25 Ω Bryter V R P, Q A I o I E I FC C D V FC V PV FC PV AC Last I PV Batteribank I Batt Vi skal i oppgaven studere to driftstilfeller, angitt i tabellen under. Som indikert i figuren, kan ACsystemet modelleres som en trefase kilde (linjespenning V S ), et trefase tilkoplingspunt (linjespenning V R ), og mellom kilden og tilkoplingspunktet fins for hver fase en seriereaktans X = 0.25 Ω. I tillegg er selvfølgelig AC Last en del av ACsystemet. Driftstilfelle V S V R ELY FC PV Batteribank V DC AC Last 1 Frakoplet 230 V (rms) I E = 0 I FC = 70 A I PV = 10 A I Batt =? 600 V P = 57 kw Q = 28 kvar V (rms) 230 V (rms) I E = 45 A I FC = 0 I PV = 30 A Lades opp. I Batt = 20 A 550 V P = 57 kw Q = 28 kvar

3 a) b) c) Gjør kort rede for hver av de fire kraftelektroniske omformerne (A, B, C og D), i henhold til, hvis relevant: hvilken funksjon den har (ACAC, ACDC, DCAC, DCDC, opptransformerende, nedtransformerende) kommuteringsprinsipp om den er enfase eller trefase, og hvilken vei aktiv, og eventuelt reaktiv, effekt må kunne flyte Vi skal se på driftstilfelle 1. I dette tilfellet er nettet (ACkilden) frakoplet. Regn ut hvor stor strømmen I Batt må være, og angi om batteribanken lades eller om den leverer effekt. Hva er aktiv og reaktiv effekt for omformeren A? Angi om A går som likeretter eller vekselretter, og om den er produsent eller forbruker av reaktiv effekt. Vi skal se på driftstilfelle 2. Regn ut aktiv og reaktiv effekt for omformeren A. Angi om A går som likeretter eller vekselretter, og om den er produsent eller forbruker av reaktiv effekt. Vi skal nå studere aspekter ved omformeren A i mer detalj. Uavhengig av løsningen du måtte ha valgt i oppgave a, skal vi herfra bruke en PWM trefase omformer av typen vist i figuren under. Tabellen ved siden av angir V LL,h /V DC for forskjellige m a, for både grunnharmonisk (h = 1) og overharmoniske. V LL,h er rmsverdien av linjespenning for hte harmoniske. V DC A B C d) e) V DC tillates å variere i området V (DC). Hvilket område vil amplitudemodulasjonsforholdet m a variere i, når det kreves at spenningen over lasten alltid skal være 230 V (linjespenning, rms)? Frekvensmodulasjonsforholdet m f = 39. Regn ut rmsverdiene til de 4 overharmoniske som har størst rmsverdi når m a = 0.6. (Linjespenningen over lasten på ACsiden er fortsatt 230 V (rms)). Oppgi ved hvilke frekvenser disse overharmoniske oppstår (Hz).

4 Oppgave 2: DCDC omformer Figuren under viser en kraftelektronisk omformer med en hypotetisk bryter som veksler mellom to posisjoner a og b. V d er en konstant DCspenning. L i o i L i C V d v oi C v o R load a b a) Vis hvordan denne omformeren kan implementeres i praksis ved hjelp av halvlederelementer. Tegn figur, og forklar. Hvilken type DCDC omformer er dette? Vis også at gjennomsnittsverdien av v o er lik gjennomsnittsverdien av v oi når kretsen opererer i stasjonær tilstand. Heretter gjelder følgende: v o = V o = 10 V (antas konstant i oppgave b og c) P load = 100 W (omsatt effekt i R load ) D = 0.5 (duty ratio) b) c) d) Svar på: Hvor stor er R load i Ω? Hvor stor er V d i V? Forklar hva vi mener med diskontinuerlig drift (luket drift). Kall den verdien av L som gjør at vi ligger på grensen mellom kontinuerlig og diskontinuerlig drift i situasjonen over, for L grense. Finn L grense som funksjon av svitsjefrekvensen f s. Selv om v o er antatt konstant over, vil den i praksis ha en viss rippel, v rippel. Estimer den C du trenger for at v V, når f s = 100 khz og L = L grense. Redgjør for rippel eventuelle tilnærmelser estimeringen baserer seg på, og vurder eventuelt gyldigheten av ditt resultat i lys av denne/disse tilnærmelsen(e).

5 Oppgave 3: HVDCoverføring Figuren under viser prinsipielt hvordan HVDCanlegget i Kristiansand transformatorstasjon ser ut. Fra stasjonen går det tre sjøkabler til Jylland (Danmark) Skagerrakforbindelsen. Hver av de tre omformmerne tegnet under er 12puls tyristoromformere, benevnt henholdsvis Pol 1, Pol 2 og Pol 3. Pol 1 og Pol 2 er identiske og koplet i parallell på DCsiden. Denne litt spesielle koplingen skyldes at anlegget har blitt til i tre omganger (to utvidelser). Dette trenger du ikke bekymre deg over nå, ettersom vi skal studere kun den ene polen nemlig Pol 3. Du kan altså ignorere Pol 1 og Pol 2, og regne kun med Pol 3, som er en helt standard 12puls tyristoromformer. Glattespoler Sjøkabler AC samleskinne Pol 1 I P1 V d,p1 Pol 2 I P2 V d,p2 Pol 3 V d,p3 I P3

6 a) Skisser forløpet av spenningen på DCsiden over en av de to sekspulsomformerne som Pol 3 består av, når denne går som likeretter. Bruk et av de vedlagte kurveark. Sørg for at tegningen din inneholder følgende elementer: Bruk en tennvinkel α lik 30º og en kommuteringsvinkel u lik 15º Indiker α og u i figuren Skraver arealet A u som svarer til kommuteringsspenningsfallet Til sist: Forklar kort hva som er den fysiske årsaken til at kommuteringen ikke skjer momentant. Nettspenningen på ACsiden er 315 kv. Transformatorene som står foran Pol 3 antas å ha følgende data: Forholdet V LL,P /V LL,S i tomgang er 315/163.8 (V LL,P er linjespenning på primærsiden, mens V LL,S er linjespenning på sekundærsiden siden nærmest omformeren) kortslutningsreaktans referert sekundærsiden er 22 Ω (sekundærsidene kan antas Y koplet) b) c) Pol 3 går som likeretter med α = 24.1º og I P3 = 812 A. Regn ut effekten som Pol 3 leverer. Finn kommuteringsvinkelen u ved driftstilstanden over.

7 Vedlegg: kurveark for oppgave 3a Kandidatnummer:

8 Vedlegg: kurveark for oppgave 3a Kandidatnummer:

9 Vedlegg: kurveark for oppgave 3a Kandidatnummer: