Tentin tekstisisältö

TTY TEL-1010 Tehoelektroniikan perusteet
Sähköenergiatekniikka Tentti 18.03.2009
Heikki Tuusa

Tentissä saa käyttää laskinta!

1. — Kuvassa on esitetty yksinkertainen tasajännitekatkoja. Katko-

 

 

 

 

 

jana toimivaa n-tyypin mosfet-komponenttia M ohjataan kaniti-
aalloilla, jonka pulssisuhde on %. 1E Taso
a) Piirrä alekkain jännitteiden vo ja vos sekä virtojen huonna jpja — +" pa
Taioai periaatteelliset käyrämuodot, kun L oletetaan pieneksi. R
(2) ,
b) Piirrä a-kohdan käyrämuodot, kun L oletetaan suureksi. (1p) = drain Ka
c) Mikäon diodin D tarkoitus? (1p) N 4 W
d) Mitä tapahtuisi, jos diodia D ei olisi? (1p) a7 | 80 /*
e) Miten käyrämuodot muuttuvat, jos kuristin Z poistetaan source” |.

(=korvataan johtimella)? Tarvitaanko tällöin diodia D? (1p)

2. Yksivaiheinen tyristoritasasuuntaussilta on kytketty vaihtosähköverkkoon.

a) Piirrä kytkennän päävirtapiiri, kun tasasuuntaajan kuorma muodostuu sarjaan kyike-
tyistä vastuksesta ja kuristimesta, ja esitä lyhyesti piirin toimintaperiaate. (2p)

b) Piirrä alekkain verkkojännitteen, kuormajännitteen, kuormavirran sekä verkkovirran
periaatteelliset käyrämuodot allekkain yhden verkkojakson ajalta, kun kuormana on
pelkkä vastus ja tyristorien sytytyskulma on 30?. (2p)

o) Piirrä alekkain b-kohdassa kysytyt käyrämuodot, kun kuorma oletetaan vakiovirta-
kuormaksi ja sytytyskulma on 60*.(2p)

3. Erillismagnetoitu tasavirtamoottori. Esitä lyhyesti sen
a) rakenne, (1 p)
b) toimintaperiaate, (1 p)
e) sijaiskytkentä, (1 p)
d) siationääristä toimintapistettä kuvaavat yhtälöt, (1p)
e) pyörimisnopeuteen vaikuttavat tekijät, (1 p)
f) tyypillinen syöttävä suuntaajakytkentä. (1 p)

4. Yksivaiheinen tehofeteillä toteutettu kokosiltavaihtosuuntaaja, jonka syöttöjännite
Ud on 200 V.
a) Esitä kytkentä ja nimeä sen komponentit. (1p)
Esitä kytkimien ohjausperiaate ja piirrä ulostulojännitteen käyrämuoto käytettäessä
suuntaajassa TTK
b) kanttiaaltoohjausta, (1p)
o) vaiheleikkausohjausta, (2p)
dD) pulssinleveysmodulointia. (2p)

 

    
 
 

e

26 A; 1; = 2960 rpm,
on kytketty

5. Kolmivaiheista oikosulkumoottoria (Pn =2,2 kW, Un = 400 V.
fa = 50 Hz) syötetään jännitevälipiirillisellä taajuudenmuuttajälla;j
Suomen sähköverkkoon. "

a) Piirrä kytkennän päävirtapiiri, kun moottoria myös jarrutetaan suuntaajalla.(1p)

b) Mikä on moottorin napapariluku ja kuinka suuri on sen nimellinen jättämä? (1p)

c) Mikä on moottorin syöttöjännitteen taajuuden oltava, kun moottorin halutaan
pyörivän nopeudella 1000 rpm nimellisellä kuormamomentilla? (2p)

d) Mikä on moottorin syöttöjännitteen oltava c-kohdan tilanteessa? (1p)

€) Miten moottori saadaan siirtymään sähköiseen jarrutukseen? (1p)
TTY TEL-1010 Tehoelektroniikan perusteet

Tehoelektroniikka Tentti 07.05.2007
Heikki Tuusa

 

vah ;
1) Tarkastellaan virtaa, jonka jaksonaika on T. Yhden jakson aikana sen arvo aikavälillä

2

3

4)

5

)

)

=

0,1T-0,4T on +50 A ja aikavälillä 0,6T — 0,9T, -50 A ja loput jakson ajasta 0 A.
a) Piirrä virran käyrämuoto ja laske sen keskiarvo. (Lp)

b) Laske virran tehollisarvo. (2p)

c) Laske virran perusaallon (n=1) amplitudi. (2p)

d) Laske virran perusaallon tehollisarvo. (1p)

Yksivaiheinen tyristoritasasuuntaussillan syöttöjännite U, on 230 V ja sytytyskulma &

on 90".

a) Piirrä kytkennästä kuva. (1p)

b) Piirrä alekkain verkkojännitteen, kuormajännitteen, kuormavirran ja verkkovir-
ran käyrämuodot, kun kuormana on puhdas resistanssi. (2p)

e) Piirrä alekkain verkkojännitteen, kuormajännitteen, kuormavirran ja verkkovir-
ran käyrämuodot, kun kuorma on ideaalinen vakiovirtakuorma. (2p)

d) Laske kohdan c) tapauksessa muodostuvan tasajännitteen keskiarvo. (1p)

Jännitettä nostava hakkuriteholähde.

a) Esitä päävirtapiiri, kun tehokytkimenä käytetään MOSFET:ä (1p),

b) toiminta tehokytkimen johtaessa (1p), |

€) toiminta tehokytkimen ollessa johtamattomassa tilassa (1p),

d) Kuristimen yli olevan jännitteen ja läpi kulkevan virran periaatteelliset käyrämuodot
yhden toimintajakson aikana (1p).

€) Johda jännitteen muuntosuhteen lauseke virran olleessa jatkuvaa (1p),

f) Johda virran muuntosuhteen lauseke. (1p)

Kolmivaiheinen vaihtosuuntaussilta.

a) Esitä IGB-Transistoreilla toteutettu, induktiiviselle kuormalle soveltuva päävirtapii-
ri ja nimeä siihen komponentit ja kuorman liityntäpisteet. (1p)

b) Miten vaihtosuuntaajan rakenteessa huomioidaan induktiivinen kuorma.(1p) A

c) Esitä alekkain sillan ulostulojännitteiden käyrämuodot kahden vaiheen (a ja b) osalta
sekä niitä vastaava pääjännite käytettäessä kanttiaalto-ohjausta. (2p)

d) Esitä periaatteelliset kohdan c) käyrämuodot käytettäessä PWM-ohjausta. (2)

Kolmivaiheinen oikosulkumoottori : Pn =2,2 kW, Un = 400 V, hh =6A,
%n = 1470 rpm, fa =50 Hz, p=2.
a) Esitä sen periaatteellinen rakenne (1 p) ja
b) toimintaperiaate lyhyesti (1p).
c) Mitä tarkoitetaan sen jättämällä ja kuinka suuri se on kyseisellä koneella nimellise]-
lä kuormalla? (1p)
Millä taajuudella nimelliskuormitettua moottoria pitäisi syöttää, jotta sen pyörimis-
nopeus olisi 1000 rpm? (2p)
€) Paljonko moottorin syöttöjännitettä pitäisi muuttaa nimellisestä edellisessä tapauk-
sessä, jotta vuo pysyisi nimellisenä? (1p)

d

=
TTY TEL-1010 Tehoelektroniikan perusteet

Tehoelektroniikka Tentti 26.03.2007
Heikki Tuusa

1) Tarkastellaan jännitettä, jonka jaksonaika on 7. Yhden jakson aiki a

2

3

4

5

)

=

=

  

'sen arvo +600 V
aikavälillä 0,1T — 0,3T, -400 V aikavälillä 0,4T — 0,8T ja loput ajat jaksosta. OV. M
a) Piirrä jännitteen käyrämuoto. (1p) 705
b) Laske jännitteen keskiarvo. (1p)
c) Laske jännitteen tehollisarvo. (2p)
d) Kuinka suuri lämpöteho syntyy, kun mainitulla jännitteellä syötetään 100 G:n vastus-

ta? (29)

Hakkuriteholähteet.

a) Piirrä jännitettä laskevan hakkuriteholähteen (buck / step-down converter) päävir-
tapiiri. Sen kuormana on vastus (45 9). (1p)

b) a-kohdan kuorman läpi halutaan kulkevan 0,3 A:n virta. Millä pulssisuhteella kyseinen
virta saadaan aikaan, kun hakkurin syöttöjännitteen suuruus on 50 V? (lp)

c) Kuinka suuri kuristin a-kohdan hakkurissa tarvitaan, kun kuristimen virran vaihtelu
saa olla +10% keskiarvostaan ja hakkurin kytkentätaajuus on 30 kHz? (1p)

d) Piirrä jännitettä nostavan hakkuriteholähteen (boost / step-up converter) päävirta-
piiri. Sen syöttöjännite on 15 V ja pulssisuhde 0,7. (1p)

e) Kuinka suuri on kuormajännite? (1p)

f) Kuinka suuri kuristin d-kohdan hakkurissa tarvitaan, kun 53 0:n kuormavastuksen ta-
pauksessa kuristimen virran vaihtelu saa olla +5% keskiarvostaan ja hakkurin kytken-
tätaajuus on 30 kHz? (1p)

Oletetaan kaikissa kohdissa kuormajännite vakioksi ja kuristimen virta jatkuvaksi.

  

Yksivaiheinen vaihtosuuntaussilta syöttää induktiivista kuormaa.

a) Esitä IGB-Transistoreilla toteutettu päävirtapiiri ja nimeä siihen komponentit ja
kuorman liityntäpisteet. (1p)

Esitä, miten sillan komponentteja on ohjattava ja millainen kuormajännite muodos-

tuu, kun ohjaustapa on

b) kanttiaalto-ohjaus (1p)

c) vaiheleikkausohjaus (a = 90"), (2p)

a) PWM-ohjaus. (2p)

Erillismagnetoidun tasavirtamoottorin jännitelähteenä on 3-vaiheinen tyristorisilta,

jota syötetään kolmivaiheverkosta, jonka pääjännite Ur, = 400 V. Tasavirtamoottorin ni-

mellisjännite Ua = 500 V, nimellisvirta Z:n = 500 A ja nimellinen pyörimisnopeus ny =

1600 rpm. Ankkuriresistanssin Ra suuruudeksi on mitattu 0,02 O.

a) Piirrä kytkennästä kuva ja nimeä siihen komponentit ja tarkastelussa käyttämäsi suu-
reet. (2p)

b) Mikäon tyristorisillan sytytyskulma moottorin nimellisessä toimintapisteessä? (2p)

c) Millä sytytyskulman arvolla moottorin pyörimisnopeus on 1000 rpm, kun koneen
kuorma (=kuormavääntömomentti) on nimellinen, ja magnetointivirta Z:n pidetään va-
kiona? (2p)

Esitä seuraavien sähkökäyttöjen päävirtapiirin periaatteellinen rakenne (toimintaloh-
kot) ja toimintaperiaate lyhyesti:

a) pienoisloistelampun syöttöpiiri, (1P)

b) hitsausteholähde, (1p)

c) sähköjunan moottorikäyttö, (1p)

d) muuttuvanopeuksinen tuulivoimakäyttö, (1p)

e) aktiivisuodin (lp)

f) katkeamaton tehonsyöttöjärjestelmä (UPS). (1p)
 

TTY - TEL-1010; Tehoelekironiikan perusteet

Tehoelekironiikka

Tentti 03.02.2006

Heikki Tuusa

 

W

3

Esitä seuraavien tehokomponenttien osalta piirrosmerkki, ohjaustapa, virta-, jännite-
ja taajuusalueet sekä tyypilliset käyttökohteet.

a) tehodiodi (2p),

b) GTO-tyristori (2P),

c) IGB-transistori (2P).

+100 V ja -100 V ulostuloinen kanttiaaltojännitelähde, jonka pulssisuhde (T+100v /Twr)

on 2/3, on kytketty sarjaan diodin kanssa. Kytkennän kuormana on säätövastus:

10...1009.

a) Piirrä kytkentä. (1p)

b) Piirrä syöttöjännitteen, kuormavastuksen yli olevan jännitteen ja sen läpi kulkevan
virran käyrämuodot allekkain, kun kuormavastus on säädetty arvoon 50 G. Merkitse
kuviin myös huippuarvojen suuruudet. (2p)

c) Perustele Ohmin lain ja vastuksen pätötehon lausekkeen avulla, millä vastusarvolla
vastuksesta saatava lämpöteho on suurin. (1p)

ikä on tällöin piirin virran tehollisarvo? (2p)

Jännitettä laskeva hakkuriteholähde (buck / step-down converter), jossa kuormajännite

oletetaan vakioksi ja kuristimen virta jatkuvaksi.

a) Piirrä laskevan hakkuriteholähteen (buck/ step-down converter) päävirtapiiri. (1P)

b) Piirrä piirin sijaiskytkemnät sen tehokytkimen ollessa ohjattuna johtavaan tai
johtamattomaan tilaan. (2p)

c) Piirin kuormana on vastus (60 £2), jonka läpi halutaan kulkevan 0,5 A:n virta. Millä
pulssisuhteella kyseinen virta saadaan aikaan, kun syöttöjännitteen suuruus on
50 V%(1p)

d) Kuinka suuri kuristin hakkurissa tarvitaan, kun kuristimen virran vaihtelu saa olla
45% keskiarvostaan ja hakkurin kytkentätaajuus on 20 kHz?(2p)

Yksivaiheista tyristoritasasuuntaussiltaa ohjataan 45" sytytyskulmalla.

a) Piirrä kytkennän päävirtapiiri ja selitä lyhyesti sen toimintaperiaate. (2 p)

b) Piirrä alekkain siltaa syöttävän vaihtojännitteen, sillan antaman tasajännitteen,
kuormavirran sekä vaihtojännitesyötöstä otettavan vaihtovirran po aatteelliset
käyrämuodot, kun
1) kuormana on puhdas resistanssi (2 p),

2) kuorma oletetaan puhtaaksi tasavirtakuormaksi (2 p).

  

Taajuudenmuuttajalla syötetty oikosulkumoottorikäyttö.
Esitä lyhyesti:

a) Oikosulkumoottorin toimintaperiaate. (p)

b) Kolmivaiheisen PWM-taajuudenmuuttajan rakenne ja toimintaperiaate.(2p)

c) Käyttöön soveltuvan takaisinkytketyn nopeudensäätöjärjestelmän toimintaperiaate

(D).

   
(

TTY 7801000 Tehoelektroniikan perusteet
Tehoelektroniikka
Heikki Tuusa tentti 03.03.03

P Bsitä selkeästi ja lyhyesti
a) Teho-MOSFET:n piirrosmerkki, rakenne ja ominaisuudet
b) Kelan induktanssin suuruuteen vaikuttavat tekijät.
c) Laske, paljonko kondensaattorista otetaan energiaa alkutilanteeseen
verrattuna, jos sen jännite puoliintuu.

Y Kuvan 1 piirin IGB-tansistoria (n-tyyppinen) ohjataan jännitteellä var, jonka

pulssisuhde on 2/5. Piirrä jännitteiden var ja vce sekä virtojen is, ikuorma ja diodi
käyrämuodot allekkain kahden kytkentäjakson ajalta. Mikä piirtämistäsi virroista
on sama Kuin virta iange? Kuristimen induktanssi on mitoitettu siten, että virta
Tkuorma ON aukollista.

 

kuva 1. Tehtävän 2 piiri.

' Yksivaiheista tyristoritasasuuntaussiltaa ohjataan 90? sytytyskulmalla. Piirtä
alekkain sillan antaman tasajännitteen ja kuormavirran periaatteelliset
käyrämuodot, kun
a) kuorma on puhdas resistanssi,

b) kuorma on induktiivien.
c) kuorman paikalla on virtalähde.

(A Yksivaiheinen puolisiltavaihtosuuntaaja

a) Piirrä IGBT-komponenteilla toteutetun suuntaajan päävirtapiiri.

b) Esitä, mihin tarvitaan kytkinkomponenttien rinnalle sijoitettuja ns.
nolladiodeja.

c) Laske sillan ulostulojännitteen perusaallon tehollisarvo käytettäessä
kanttiaalto-ohjausta, jos siltaa syöttävä tasajännite on 300 V.

 

. Miten toteutetaan ja mihin perustuu
a) tasavirtamoottorin nopeudensäätö tasasuuntaussiltaa käyttäen.
b) oikosulkumoottorin nopeudensäätö taajuudenmuuttajaa käyttäen.
TTY 7801000 Tehoelektroniikan perusteet *

Tehoelektroniikka ;
Heikki Tuusa tentti 14.04.2003 :

 

1. Kanttiaaltojännitelähde, jonka ulostulo vaihtelee välillä -50 V ja + 50 V ja jonka
pulssisuhde on 1/4, syöttää diodin kautta säädettävää vastuskuormaa. Kuorman
vastusarvoa voidaa muuttaa välillä 10 £2...50 0.

a) Piirrä kytkentä.

b) Piirrä syöttöjännitteen, kuormavastuksen yli olevan jännitteen ja sen läpi
kulkevan virran periaatteelliset käytämuodot allekkain.

c) Laske kuormavirran keskiarvo ja tehollisarvo vastusarvolla, jolla kuorman
kuluttama lämpöteho on suurimmillaan.

2. Jännitettä nostava hakkuriteholähde.
a) Esitä päävirtapiiri, kun tehokykimenä käytetään MOSFET:ä ja kuormana on
10 0:n vastuskuorma.
b) Esitä piirin toimintaperiaate.
c) Mikä ohjauksen pulssisuhteen D oltava, jotta kuormaan menisi 2 A:n virta.
Piirin syöttöjännite on 15 V ja piirin kuristimen virta oletetaan jatkuvaksi?

3. Yksivaiheinen kokosiltavaihtosuuntaaja.
a) Piiträ IGBT-komponenteilla toteutetun suuntaajan päävirtapiiri.
b) Esitä vaiheleikkausohjauksen periaate.
c) Esitä PWM-ohjauksen periaate.

4. Kolmivaiheista oikosulkumoottoria syötetään jännitevälipiirillisellä
taajuudenmuuttajalla, joka on liitetty '400 V:n kolmivaiheverkkoon.
Oikosulkumoottorin nimellinen teho on 47 kW, nimellinen jännite 400 V,
nimellinen virta 88 A ja nimellinen pyörimisnopeus 980 rpm, kun moottorin
syöttötaajuus on 50 Hz.

a) Piirrä kytkennän päävirtapiiri, kun moottoria ei tarvitse jarruttaa sähköisesti.

b) Mikä on moottorin napapariluku?

c) Mikä on moottorin nimellinen jättämä?

d) Kuinka suuri on muuttajan tuottaman moottorin suöttöjännitteen
perustaajuuden oltava, kun nimelliskuormitettu moottori pyörii 400 rpm?

e) Mikä on moottorin syöttöjännitteen perusaallon tehollisarvon oltava
edellisessä kohdassa, jotta koneen vuo olisi nimellinen?

5. Esitä seuraavien tehoelektroniikkasovellutusten päävirtapiirin rakenne ja
toimintaperiaate lyhyesti.
a) hitsausteholähde,
b) UPS,
c) yliaaltojen kompensointiin tarkoitettu aktiivisuodin.
Noon; taWäaalaplä G) N en)
- TTKK 7801000 Tehoelektroniikan perusteet
ma Tehoelektroniikka Tentti 15.04.2002/ Heikki Tuusa

 

1. Esitä selkeästi ja lyhyesti
a) IGB-Transistorin toimintaperiaate ja ominaisuudet.
b) Kelan induktanssin suuruuteen vaijuttavat tekijät.
c) Kondensaattorin varastoitunut energia.
d) Yksivaiheisen vaihtosuuntaajan puolisiltakytkentä.
e) Hitsausteholähteen päävirtapiirin rakenne.

 

2. — Yksivaiheinen tyristoritasasuuntaaja on kytketty vaihtosähköverkkoon.

a) Piirrä kytkennän päävirtapiiri, kun tasasuuntaajan kuorma muodostuu sarjaan
kytketyistä vastuksesta ja kuristimesta.

b) Piirrä syöttöjännitteen, kuormajännitteen ja virran periaatteelliset käyrämuodot
allekkain kahden kytkentäjakson ajalta, kun kuormana on pelkkä vastus ja tyristorien
sytytyskulma on 60%.

o) Piirrä b-kohdan käyrien alapuolelle kuormajännitteen ja —virran käyrämuodot a-
kohdan tilanteessa, kun kuormavirta ei ole jatkuvaa tyristorien sytytyskulman ollessa
60%,

3. Laskeva hakkuriteholähde.
a) Piirrä hakkuriteholähteen päävirtapiiri.
b) Laskevan hakkuriteholähteen kuormana on vastus (45 £2), jonka läpi halutaan
kulkevan 0,4 A:n virta. Millä pulssisuhteella kyseinen virta saadaan aikaan, kun
| syöttöjännitteen suuruus on 50 V?
| c) Kuinka suuri kuristin b-kohdan hakkurissa tarvitaan, kun kuristimen virran vaihtelu
| saa olla +10% kuormavirran keskiarvosta ja hakkurin kytkentätaajuus on 30 kHz?

4.  Ysivaiheinen kokosiltavaihtosuuntaaja
a) Esitä päävirtapiiri.
b): Piirrä vaiheiden ohjaukset ja kuormajännitteen käyrämuoto kahden
| * ulostulojännitteen jakson osalta, kun sillan ohjauksessa käytetään
| vaiheleikkausohjausta ja 60%:een limityskulmaa.
| c) Laske kuormajännitteen perusallon suuruus b-kohdan mukaisessa tilanteessa, kun
suuntaajaa syöttävä tasajännite on 320 V.

 

5. — Yksivaiheisen erillismagnetoidun tasavirtamoottorin jännitelähteenä on 3-vaiheinen
tyristorisilta, jota syötetään kolmivaiheverkosta, jonka UtL = 400 V. Tasavirtamoottorin

| nimellisjännite Uz, on 450 V, nimellisvirta Ian 500 A ja nimellinen pyörimisnopeus 7m on

1000 rpm. Ankkurivastuksen R, suuruudeksi on mitattu 0,05 92.

a) Esitä kytkentä.

b )Kuinka suuri on sillan antaman tasajännitteen keskiarvo, kun tyristorisillan
sytytyskulma 0 on 609?

c) Millä ohjauskulman arvolla moottorin pyörimisnopeus on 400 rpm koneen kuorman
ollessa nimellinen, kun magnetointivirta In pidetään vakiona?

 
 

  
    

TTKK 7801000 Tehoelektroniikan perusteet

Tehoelektroniikka

Heikki Tuusa tentti 02.03.2001

1. Yleisimmät tehopuolijohdekomponentit, niiden piirrosmerkit, toimintaperiaatteet, ominaisuudet
ja käyttökohteet.

2. Resistiivistä kuormaa R= 20 & syötetään känti allonmue oisella vaihtojännitteellä, jonka ampli-
tudi on 200 V. Jännitelähteen ja kuorman väliin on-kytkeity tyristori, jonka sytytyskulman arvo
a = 30. Laske kuormajännitteen keskiarvo, tehollisarvo sekä kuorman keskimääräinen teho.

3. Esitä sekä laskevan että nostavan hakkuriteholähteen peruskytkennät ja niiden toimintaperiaat-
teet. Miten niiden ulostulojännitteitä voidaan säätää?

4. Yksivaiheisen puolisiltavaihtosuuntaajan syöttöjännite Ug= 300 V. Suuntaaja toimii kanttiaalto-
ohjausperiaatteella komponenttien kytkentätaajuuden ollessa f,= 1 kHz. Vaihtosuuntaajan kuor-
mana on puhdas induktanssi L,= 5 mH.

a) Esitä kuormajännitteen käyrämuoto.
b) Laske kuormajännitteen perusaallon ja kolmen ensimmäisen yliaallon amplitudit.
c) Laske myös kuormavirran perusaallon tehollisarvo.
5. a) Esitä kolmivaiheisen jännitevälipiirillisen taajuudeninuuttajan päävirtapiirin rakenne ja toimin-

taperiaate.
b) Miten PWM-tekniikkaa käytetään halutun suuruisten ja taajuisten ulostulojännitteiden muo-
dostamisessa?