HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side av 8 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Aving for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: Emnekode: Emnenavn: TELE2007-A Kraftelektronikk og Motordrifter Klasse(r): Studiepoeng: 0 Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Thomas A. Paulsen ( ) Kontaktperson(adm.) (fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) Vedlegg består av: (antall sider) - Kalkulator av type B - Tabeller og formelsamling fra Gyldendal Yrkesopplæring Kan ikke ha egne notater, innlegg eller andre tillegg til original tekst. 5 oppgaver på 0 sider og 5 vedlegg Grensekurve for motor i oppgave 3 som kan tas med hjem Grensekurve for motor i oppgave 3 som skal leveres inn En tabell for avkryssing til oppgave 4 som kan tas med hjem En tabell for avkryssing til oppgave 4 som skal leveres inn Formelark Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. Lykke til!

2 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 2 av 8 NB! Dersom noe virker uklart i oppgavsettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Oppgave (25%) En enfase helstyrt brolikeretter tilkobles et 400V, 50Hz nett via en transformator. En ønsker å kunne styre ut likespenningen til 220V DC. I første omgang tilkobles en last bestående av en resistans med R = 0 Ω til likeretteren. a) Tegn koblingsskjema og skriv inn symbol på komponenter, strømmer og spenninger. Bestem transformatorens nødvendige omsetningsforhold når alle komponenter regnes ideelle. b) Likeretteren styres ut til 80V over lasten. Bestem nødvendig tennvinkel og laststrømmen I d. Tegn diagram i målestokk for transformatorens sekundære spenning og strøm, strømmen gjennom en av tyristorene, spenningen over lasten, spenningen over induktansen og strømmen gjennom lasten. Angi i diagrammet hvilke ventiler som leder. Det kobles inn en glatt motspenning på 00V DC (retning mot strømmen) og en spole med uenig stor induktans i serie med lasten. c) Hvor stor tennvinkel må det nå styres ut til når en ønsker en strøm på 5A gjennom lasten. d) Tegn diagram i målestokk for spenningen over lasten og spenningen over induktansen. Angi i diagrammet hvilke ventiler som leder. Spenningen på 00V snues og strømretteren styres ut slik at den går som vekselretter med en strøm på 5A i lasten. e) Tegn nytt koblingsskjema og beregn den nye tennvinkelen.

3 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 3 av 8 Oppgave 2 (20%) En step down chopper skal styre en likestrømsmotor med følgende merkeverdier: U N = 50V, n N = 400o/min, P N = 2.05kW, T N = 4Nm, I N = 7.5A, R a =.35Ω, η N = 70%. Motoren er fremmedmagnetisert og blir kjørt med merkemagnetisering i alle driftstilfeller. En drossel er koblet i serie med motoren, den har en induktans som er så stor at vi kan anta fullstendig glatting av motorstrømmen. Motoren er tilkoblet en last med konstant moment på 2Nm for alle aktuelle turtall. Chopperen takter med frekvensen 20 khz. Spenningen fra likespenningskilden U d er glatt og konstant lik 80V. a) Tegn skjema for oppkoblingen. b) Motoren kjøres i merkedrift, hvor stor blir dutycycle og hvor stor blir strømmen som trekkes fra likespenningskilden? Tegn diagram i målestokk for lastspenningen, spenningen over motorklemmene, spenningen over induktansen, strømmen i motoren, strømmen fra spenningskilden og strømmen i friløpsdioden. c) Beregn effektivverdien til strømmen gjennom friløpsdioden. d) Motoren skal gå med turtallet 800o/min. Hvor stor blir nødvendig dutycycle nå? Oppgave 3 (5%) En sentrifugalpumpe skal turtallsreguleres ved hjelp av en kortslutningsmotor med frekvensomformer. Pumpa har et driftsmoment som er proporsjonalt med kvadratet av turtallet. Det vil si at n 2 T = T N ( ) n N Turtallsområdet skal være 200o/min 700o/min. Effektbehovet ved 700o/min er beregnet til 37kW. Løsrivningsmomentet er ubetyig. Leverandøren av frekvensomformeren stiller krav om at frekvensomformeren skal kunne levere motorens merkestrøm. Nettspenningen og motorspenningen skal være 500V. Benytt motordata: η N =94%, cosφ N =0.89, s N = 0.0 Dimensjonér motor og frekvensomformer til driften, vurder 4-polet og 6-polet motor. Pris skal taes med som kriterium ved valg av motorstørrelse, se utdrag fra prislisten i tabell. Antyd om det er muligheter for at turtallet til pumpen kan økes noe med valgt motor. Tabell Priser for Siemens motortype LA5207-xAAxx Effekt Pris 4-polet Pris 6-polet 30 kw kr kr kw kr kr kw kr kr 9 000

4 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 4 av 8 Grensekurver for motoren er gitt i figuren under og i vedlegg nr. og 2. Tegn inn i vedlegg nr. 2, riv ut vedlegget og legg det ved oppgavebesvarelsen. Tilgjengelige motorytelser er vist i tabell 2. T/TN 0,8 0,6 0,4 0, nn f [Hz] n [o/min] Figur Grensekurve til motoren i oppgave 3, finnes også i vedlegg og 2 Tabell 2 Tilgjengelige motorytelser Merkeeffekt, P N [kw] Merkeeffekt, P N [kw] Merkeeffekt, P N [kw] Merkeeffekt, P N [kw] 0,06 (4- og 6-polet) 2, , , ,8 5, ,25 7, , , (ikke 8-polet) 0,75 8, (ikke 8-polet), (ikke 6- og 8-polet), (ikke 6- og 8-polet) Oppgave 4 (20%) Denne oppgaven er en flervalgsoppgave der du skal krysse av i kupongen i vedlegg nr. 4, riv ut vedlegget og legg det ved oppgavebesvarelsen.. Rett svar gir 3 poeng, mens galt svar gir - poeng. Dersom du krysser av for alternativ e) får du null poeng. Lavest oppnåelige poengsum totalt på oppgave 4 er null poeng. Del I Når oppstår det overharmoniske strømmer? Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) Når den totale strømmen har høyere frekvens enn 50 Hz. b) Når den totale strømmen har lavere frekvens enn 50 Hz. c) Når den totale strømmen har en form forskjellig fra sinusformen. d) Når den totale strømmen er et resultat av resonans i en LC-krets.

5 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 5 av 8 Del II Det skal dreie seg om en PWM frekvensomformer og effektflyten mellom omformeren og vekselstrømsnettet. Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) Omformeren trekker reaktiv og aktiv effekt fra vekselstrømsnettet. b) Omformeren trekker kun reaktiv effekt fra vekselstrømsnettet. c) Omformeren trekker kun aktiv effekt fra vekselstrømsnettet. d) Omformeren leverer reaktiv og trekker aktiv effekt fra vekselstrømsnettet. Del III Det skal fortsatt dreie seg om PWM frekvensomformere. Med utgangspunkt i kortslutningsmotorens ekvivalentskjema, hva er årsaken til at kortslutningsmotoren kjøres med feltsvekking ved frekvenser over 50 Hz? Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) Årsaken er den høye taktefrekvensen fra PWM-moduleringen av vekselspenningen ved frekvenser over 50 Hz. b) Årsaken er at det kjøres med kvasifirkant vekselspenningen ved frekvenser over 50 Hz. c) Årsaken er at spenningen over magnetiseringsreaktansen x m vil synke med økende frekvens over 50 Hz. d) Årsaken er at spenningen over magnetiseringsreaktansen x m holdes konstant med økende frekvens over 50 Hz.

6 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 6 av 8 Del IV I figuren under er det vist tilkobling av en kontaktorspole, -K. Spolen er beregnet for 24V DC. Spolen kan sees på som en seriekobling av en resistans på 00Ω og en induktans. En ønsker å koble en resistans i parallell med kontaktorspolen for å begrense spenningen over kontaktorspolen idet bryteren S åpner etter stajonær drift. Hvor stor resistans må denne parallellmotstanden ha når spenningen over spolen ikke skal overstige 48V DC ved utkobling? Hvilket av alternativene under ville du valgt? -S U = 24V DC -K Rparallell a) 50Ω b) 00Ω c) 50Ω d) 200Ω

7 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 7 av 8 Del V Figuren under viser den idealiserte grensekurven for momentet ved frekvensomformerdrift av en kortslutningsmotor eller turtallsstyring av en likestrømsmotor. Hvordan vil en tilsvarende grensekurve for effekten ut på akslingen se ut for turtall over merketurtall? Hvilket av alternativene under ville du valgt? T TN 0 nn n [o/min] a) Effekten vil stige proporsjonalt med turtallet. b) Effekten vil være konstant. c) Effekten vil avta omvendt proporsjonalt med turtallet. d) Det er ingen fast regel for grensekurven for effekt ut på akslingen for turtall over merketurtall. e) Velger ikke å svare Del VI Det skal dreie seg om PWM frekvensomformere og produksjon av fluks i asynkronmotoren. På hvilken måte blir dette magnetfeltet produsert? Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) Det er likeretteren som produserer den reaktive effekten. b) Motoren produserer selv den reaktive effekten. c) Magnetfeltet produseres ved at reaktiv effekt leveres fra kondensatoren i mellomkretsen. d) Magnetfeltet produseres ved at reaktiv effekt leveres fra vekselstrømsnettet via likeretteren.

8 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 8 av 8 Del VII Figuren under viser en fremmedmagmetisert likerstrømsmotor styrt av en enfase helstyrt brolikeretter. Magnetiseringsstrømmen kan snus ved hjelp av en bryter. Det skal bestemmes hvilke kvadranter denne driften kan kjøres i, hvilket av alternativene under ville du valgt? Ia + Um - I II Im Ea M H V a) Ea Likeretter/motor I,H Vekselretter/generator II,H Likeretter/motor I,V Vekselretter/generator II,V Ia b) Ea Likeretter/motor I,H Likeretter/motor II,V Ia Vekselretter/generator II,H Vekselretter/generator I,V c) Ea Vekselretter/generator II,H Likeretter/motor I,H Likeretter/motor II,V Vekselretter/generator I,V Ia d) Ea Vekselretter/generator II,H Likeretter/motor I,H Vekselretter/generator I,V Likeretter/motor II,V Ia

9 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 9 av 8 Del VIII Det skal dreie seg om kommuteringsvinkelen i en styrt likeretter og hvilket fenomen det dreier seg om. Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) Det er den vinkelen to ventiler leder samtidig idet strømmen kommuterer fra den ene til den andre av de to ventilene. b) Det er vinkelen mellom to kommuteringer i samme halv av en trefase likeretter. c) Det er vinkelen mellom to etterfølgende kommuteringer i en likeretter. d) Det er avstanden i grader mellom maksimalt tillatt tennvinkel og 80 grader. Del IX Figuren under viser en trefase helstyrt brolikeretter. Ta utgangspunkt i nummereringen av ventilene i figuren og angi i hvilken rekkefølge ventilene tennes. Hvilket av alternativene under ville du valgt? T T2 T3 T4 T5 T6 a) Tennrekkefølgen er: T, T6, T2, T4, T3, T5. b) Tennrekkefølgen er: T6, T5, T4, T3, T2, T. c) Tennrekkefølgen er: T, T2, T3, T4, T5, T6. d) Tennrekkefølgen er: T, T4, T2, T5, T3, T6.

10 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side 0 av 8 DEL X I figuren under er grafen til en spenning og en strøm vist i tillegg til den kretsen der spenningen er påtrykt og der strømmen går. u[v] 90 u(t) i(t) Last 0 Τ/3 Τ t i[a] Τ/3 Τ t Det er spørsmål om hvor stor aktiv effekt som tilføres lasten. Hvilket av alternativene under ville du valgt? a) 285W b) 300 W c) 520 W d) 900W

11 Eksamen i faget TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter 6.Mai 205 Side av 8 Oppgave 5 (20%) a) Hvilke to betingelser må være oppfylt for sikker slukking av tyristor? b) Hva dreier kommuteringsmarginen seg om i en helstyrt likeretter? c) I en nettkommutert helstyrt likeretter er det nettspenningen som sørger for kommuteringspenningen og slukking av tyristoren. Uten tilgang til slik hjelpespenning anvendes det slokkekretser for å gjøre samme oppgave. Tegn slokkekrets og forklar virkemåte. d) Kommutering fra en ventil til en annen skjer i praksis ikke momentant. Hvorfor er det slik? Hvilke utfordringer/problemer skaper dette? e) Trekker en enfase diodebro reaktiv effekt fra nettet? Begrunn svaret. f) Tegn og forklar hvordan en mykstarter fungerer. g) For omforming av energi i kraftelektronikken anvender vi halvledere som ventiler(av/på). Hvorfor er det gunstig? h) En fremmedmagnetisert dc-motor blir styrt av en enfaset helstyrt likeretterbro. En ønsker å bremse regenerativt ved å ta i bruk feltomkobling. Forklar prosedyren med feltomkobling. i) En trefase likeretterbro blir ofte kalt 6-puls likeretter. Hvorfor? Hva er foren med denne omformeren kontra enfase likeretterbro? j) Hva er årsaken til at motorspenningen ut fra en frekvensomformer må avta proporsjonalt med frekvensen fra 50Hz og nedover?

12 Vedlegg Dette arket kan studenten ta med hjem (kladd) T/TN 0,8 0,6 0,4 0, nn f [Hz] n [o/min]

13 Vedlegg 2 Legges ved oppgavebesvarelsen! Kandidatnr: Klasse: Fag: TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter Dato: 6. Mai 205 Grensekurver til motoren for Oppgave 3: T/TN 0,8 0,6 0,4 0, nn f [Hz] n [o/min]

14 Vedlegg 3 Dette arket kan studenten ta med hjem (kladd) Avkryssingstabell for Oppgave 4 (flervalgsoppgave): Kun ett kryss for hver oppgave! I II a III IV V VI VII VIII IX X b c d e

15 Vedlegg 4 Legges ved oppgavebesvarelsen! Kandidatnr: Klasse: Fag: TELE2007-A 5V Kraftelektronikk og Motordrifter Dato: 6. Mai 205 Avkryssingstabell for Oppgave 4 (flervalgsoppgave): Kun ett kryss for hver oppgave! I II a III IV V VI VII VIII IX X b c d e

16 Formler i Kraftelektronikk/motordrifter Vedlegg 5 Asynkronmaskiner P = P P 2 2 Cu2 s P = s P = P s P = P P Cu avg 2 fr P η = P T T kipp 2avg s 2 2 kipp 3 U = ω 2 x = k U T 2 s s 2 = T s + s f = s f 2 2 k kipp 2 2 kipp Likestrømsmaskiner U = I R + E+ U m a a a b E = k ϕ n P E = E I a T = k ϕ I ϕ = k I 2 m Kraftelektronikk U mid T 0 a = u(t) dt T 2π Umid = u( ωt) dωt 2π 0 T 2 Ieff = i(t) dt T 0 2π 2 Ieff = i( ωt) dωt 2π 0 u n smax t smax di0 L L V V di0 di0 v v di0 v v diα U = U U I + U I = 2 U I 2 2 U = U = 0,9 U π 3 2 U = U =,35 U π U = U cosα di0 cosα + Udiα = Udi0 2 U = U U dα diα dx 2 Udx = xt Id π 3 Udx = xt Id π P U I cosϕ I S U I I d L L L L λ = = = cosϕ = ν cosϕ U w = U t på d = T Ub = d U d d L L L L dv di0 Ub = U d 60 ns n = f2 p T = k f 2 T = k φ