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: 11.03.2005 Eksamenstid, fratil: 09:00 12:00 Eksamensoppgaven består av følgende sider: 5 inkl. forside oppgaver: 3 vedlegg: ingen Tillatte hjelpemidler er: Godkjent lommekalkulator Alt av skriftlig materiale KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG Alle deloppgavene (totalt 11) teller likt ved bedømmelsen. Lykke til!
Oppgave 1: Energilagring og reservekraft / UPS Figuren under viser et system for elektrisitetsforsyning til en enfase 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, som alle antas tapsfrie. PV (solcellepaneler) og FC (brenselcelle) er produsenter av elektrisitet, mens ELY (elektrolysør) er forbruker. Som indikert i figuren, kan ACsystemet modelleres som en enfase kilde (spenning V S ), et enfase tilkoplingspunt (spenning V R ), og mellom kilden og tilkoplingspunktet fins en seriereaktans X = 0.5 Ω. I tillegg er selvfølgelig AC Last en del av ACsystemet. bus V ELY V S Enfase AC kilde 50 Hz 1:1transformator X = 0.5 Ω Bryter V R P, Q AC Last Omformer A I o I E I FC I PV V E V FC V PV FC PV H 2 Batteribank I Batt Vi skal i oppgaven studere to driftstilfeller, angitt i tabellen under. Driftstilfelle V S V R ELY FC PV Batteribank V AC Last 1 Frakoplet 230 V I E = 0 I FC =? I PV = 0 A Utladet. I Batt = 0 370 V P = 33 kw Q = 16 kvar 2 220 V 230 V I E = 40 A I FC = 0 I PV = 30 A Lades opp. I Batt = 20 A 420 V P = 33 kw Q = 16 kvar Driftstilfelle 1. Se tabellen for driftsdata. Hvor stor må strømmen I FC være? Driftstilfelle 2. Se tabellen for driftsdata. Regn ut aktiv og reaktiv effekt for Omformer A. Angi om Omformer A går som likeretter eller vekselretter, og om den er produsent eller forbruker av reaktiv effekt.
Vi skal nå studere aspekter ved Omformer A i mer detalj. Denne er en enfase fullbro AC / AC omformer, med PWMstyring. Prinsippskjema er vist i figuren under. Tabellen ved siden av angir forholdet 2 V, V AC h for forskjellige m a. V AC,h er rmsverdien av hte harmoniske på ACsiden. V V AC d) V tillates å variere i området 370450 V (). Hvilket område vil amplitudemodulasjonsforholdet m a variere i, når det kreves at spenningen over lasten (V AC,1 ) alltid skal være 230 V? Frekvensmodulasjonsforholdet m f = 39. Regn ut rmsverdiene til de 3 overharmoniske som har størst rmsverdi når m a = 0.8. V AC,1 er fortsatt 230 V. Oppgi ved hvilke frekvenser disse overharmoniske oppstår (Hz).
Oppgave 2: Step down omformer Figuren under viser en kraftelektronisk omformer med en hypotetisk bryter som veksler mellom to posisjoner a og b. V d er en konstant spenning. i L L v L i o i C V d v oi C v o R load a b Følgende gjelder: v o = V o = 10 V (antas konstant i a og P load = 100 W (omsatt effekt i R load ) f s = 20 khz (svitsjefrekvens) D = 0.5 (duty ratio) L = 12.5 µh C = 250 µf Finn R load [Ω], V d [V] og i o [A]. Tegn spenningen v L og strømmen i L i samme diagram. Skriv opp ekstremalverdier i diagrammet (i henholdsvis V og A). I praksis vil v o ikke være helt konstant, men den vil ha en viss rippel, v rippel. d) Estimer v rippel og skisser tidsforløpet av v o i et diagram hvor du også skisserer strømmen i C. (Pass på at de to kurvene stemmer overens med hverandre!) Hvilke komponenter bruker man i kraftelektronikken for i praksis å kunne implementere en hypotetisk bryter som vist i figuren?
Oppgave 3: HVoverføring: vekselretterdrift Figuren under viser et HVanlegg, som er en forenklet versjon av anlegget i Kristiansand transformatorstasjon. Hver av de to polene er 12puls tyristoromformere, benevnt henholdsvis Pol 1 og Pol 2. Av historiske årsaker har de to polene forskjellig merkespenning, men deres merkeytelse er lik. Figuren antyder at anlegget går som vekselretter, det vil si at det mottar effekt fra siden, og leverer til ACsiden. I P2 Pol 2 AC samleskinne V d,p2 I E Elektrodeanlegg Pol 1 V d,p1 I P1 Kabler Glattespoler I første omgang skal vi bare studere den ene polen, nemlig Pol 2. Nettspenningen på ACsiden er 300 kv. Transformatorene som står foran Pol 2 antas å ha følgende data: Forholdet V LL,P /V LL,S i tomgang er 300/150 (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) Pol 2 går som vekselretter med γ = 20º og I P3 = 800 A. Regn ut effekten som Pol 2 mottar. Finn kommuteringsvinkelen u ved driftstilstanden over. Vi skal nå se også på Pol 1. Pol 1 mottar nøyaktig like mye effekt som Pol 2, men spenningen er adskillig lavere: V d,p1 = 245 kv. Finn strømmen I E (strømmen som trekkes fra jord inn i elektrodeanlegget). Tips: Kirchoffs strømlov kan komme til nytte i denne oppgaven.