Đề thi cuối kỳ 1 năm học 2024 – 2025 môn Cơ sở điện tử công suất | Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Giảng viên ra đề: (Ngày ra đề) Người phê duyệt: (Ngày duyệt đề)
(Chữ ký và Họ tên)
(Chữ ký, Chức vụ và Họ tên)
(phần phía trên cần che đi khi in sao đề thi) THI CUỐI KỲ
Học kỳ/năm học 1 2024-2025 Ngày thi 29/12/2024 Môn học
CS Điện tử công suất
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Mã môn học EE2021
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Thời lượng 90 phút Mã đề 241-02
Ghi chú: - Sinh viên vẽ hình trực tiếp vào đề thi.
- ĐƯỢC sử dụng viết chì hoặc viết màu (trừ màu đỏ) để vẽ hình.
- Nộp lại đề thi cùng với bài làm. Câu hỏi 1 (2,0đ):
Cho bộ biến đổi DC/DC dạng Boost như hình 1a. Nguồn áp một chiều ngõ vào có giá trị không đổi Ud =
24V. Điện áp ngõ ra yêu cầu có giá trị trung bình là Uo = 48V. Biết công suất ngõ ra của bộ biến đổi là 120W.
Mạch được thiết kế với L = 300µH, tụ điện C có giá trị đủ lớn để xem như điện áp ngõ ra phẳng. Gọi  là tỷ
số điều chế (  = ton/Ts) và fs = 1/Ts=20kHz là tần số đóng cắt của khoá S. Xét mạch ở trạng thái xác lập và các linh kiện lý tưởng.
a. (L.O.3.1) Từ hoạt động của bộ boost, dẫn ra công thức liên hệ giữa điện áp ngõ ra và ngõ vào (0,5đ).
b. (L.O.4.1) Tính tỷ số điều chế  , vẽ dạng xung kích của khoá S lên hình 1b và dạng điện áp của cuộn
cảm L lên hình hình 1c (0,5đ).
c. (L.O.3.1) Dẫn ra công thức tính độ nhấp nhô dòng điện (∆IL=ILmax - ILmin) (0,25đ). Từ đó tính giá trị
dòng điện trung bình (IL), dòng điện max (ILmax) và dòng điện min (ILmin) trên cuộn cảm (0,5đ). Vẽ
dòng điện trên cuộn cảm và chú thích các giá trị trên hình 1d (0,25đ). i L D L Kích S (b) v t L 24V + + + U S C 0 (c) d o R Uo - - t -24V iL 3.5A (a) 1.5A 0 (d) Hình 1 t Câu hỏi 2 (2,0đ):
Xét bộ biến đổi điện áp một chiều dạng tổng quát như hình 2a. Cho biết nguồn Ud = 200V, tải R+L+E với
R=2, E=116V và L. Xét mạch ở trạng thái xác lập và các linh kiện lý tưởng.
a. (L.O.2.2) Giả thiết xung kích các khoá bán dẫn S1→ S4 có dạng như hình 2b. Với tỷ số điều chế =
0,6 hãy vẽ dạng áp tải uo vào hình 2c (0,5đ).
MSSV: ........................................ Họ và tên SV: ........................................................................................................... Trang 1/7
b. (L.O.3.1, L.O.4.4) Tính trị trung bình dòng tải i0 (0,25đ) và vẽ giản đồ dòng điện này vào hình 2d
(0,5đ), biết độ dợn sóng của dòng tải i0 là i0 = 6A. Cho biết chiều công suất lúc này (nguồn → tải
hoặc tải → nguồn) (0,25đ).
c. (L.O.3.1) Vẽ giản đồ dòng điện qua khoá S1 và diode D1 vào hình 2e (0,5đ). S1 S1 D1 S3 D3 u S2 + o iS1 iD1 io (b) Ud S3 - R L E t S4 S D S2 4 4 D2 t uo 120 V (a) 0 (c) t Hình 2 io 5A 0 (d) t -1A i D S D1 1 1 S1 D1 iS1 5A 1A 0 (e) t Câu hỏi 3 (2,0đ):
Cho bộ nghịch lưu áp kiểu bán cầu một pha như hình 3a, điều khiển kiểu điều rộng xung sin (sin PWM).
Xung kích cho các transistor được tạo ra bằng cách so sánh sóng mang vtri với sóng điều khiển vcontrol trong
mạch điều khiển, và các sóng này có dạng như hình 3b. Nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu Ud=400V, tải
R = 10, L = 100mH. C1 và C2 có giá trị điện dung đủ lớn để giữ cho điện áp trên tụ ổn định ở mức Ud/2.
a. (L.O.2.2) Hãy vẽ trên hình 3c dạng xung kích các transistor S1 và S4 (0,5đ), và trên hình 3d dạng điện
áp ngõ ra uo (ghi rõ các mức điện áp tương ứng) (0,25đ).
b. (L.O.4.1) Giả thiết mạch có tỷ số tần số: mf = fs /f1 = 50, trong đó: fs là tần số sóng mang (vtri) và f1 là
tần số sóng điều khiển (vcontrol). Biết f1 = 50Hz và tỷ số điều chế biên độ ma = 0,6, hãy tính trị hiệu
dụng hài cơ bản của dòng tải it (0,5đ). Xác định tần số (0,25đ) và trị hiệu dụng (0,5đ) của dòng hài
bậc cao đáng kể nhất trong dòng tải i ˆ
t khi đó (tham khảo bảng 1 với lưu ý: U là biên độ sóng hài điện h áp bậc h).
Bảng 1: Biên độ sóng hài điện áp trên tải (tính bằng ˆU / (U / 2) ) với các giá trị khác nhau của m h d a: ma h 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Hài cơ bản 0,2 0,4 0,6 0,8 1 mf 1,242 1,15 1,006 0,818 0,601 mf ± 2 0,016 0,061 0,131 0,220 0,318 mf ± 4 0,018
MSSV: ........................................ Họ và tên SV: ........................................................................................................... Trang 2/7 vcontrol vtri 1 S1 D1 C1 Ud/2 + uo i 0 (b) o Ud - R L -1 C 0 ms 10 ms 20 ms 2 Ud/2 S4 D4 S1 (a) (c) t S4 Hình 3 (d) t uo Ud 0 (e) t -Ud Câu hỏi 4 (2,0đ):
Cho bộ nghịch lưu áp 3 pha như hình 4a. Điện áp nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu là Ud =300V.
Tải 3 pha cân bằng có R=10, L=50mH, đấu sao (Y).
a. (L.O.3.1) Bộ nghịch lưu được điều khiển theo kiểu sóng vuông (six-step inverter) với chu kỳ Ts
=20ms. Hãy vẽ các xung kích cần thiết cho các khoá S1→S6 vào hình 4b (0,5đ), và tính trị hiệu
dụng hài bậc 1 của dòng pha tải (0,5đ).
b. (L.O.2.2) Bộ nghịch lưu được điều khiển theo kỹ thuật PWM sóng mang, chu kỳ sóng tam giác Ts.
Cho biết đại lượng áp điều khiển A, B, C là vđkA = +0,75; vđkB = -0,25; vđkC = -0,5. Vẽ trạng thái
đóng ngắt của các khoá S1, S3, S5 trong 1 chu kỳ sóng mang vào hình 4c (0,5đ). Từ đó, vẽ dạng
điện áp pha tải vAN vào hình 4d (0,5đ). S S 1 1 S3 S5 t Ud/2 + A S2 O B N t Ud/2 + C S3 S4 S6 S2 t (b) S4 (a) t S5 t S6 t 0 TS/2 TS
MSSV: ........................................ Họ và tên SV: ........................................................................................................... Trang 3/7 1 vđkA 0 vđkB t vđkC -1 S1 t S3 (c) t S5 t vAN 2/3Vd 1/3Vd 0 (d) t 0 TS/2 TS Hình 4 Câu hỏi 5 (2,0đ):
Xét bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha như hình 5a. Điện áp xoay chiều vin cung cấp cho bộ biến đổi
có dạng hình sin, tần số 50Hz, trị hiệu dụng 220V. Tải thuần trở R=10 công suất trên tải P=2250W.
a. (L.O.2.2) Dẫn giải công thức tính trị hiệu dụng điện áp tải vt theo trị hiệu dụng điện áp nguồn vin
và góc kích  (0,5đ). Tính góc kích  ứng với điều kiện làm việc của mạch (0,5đ).
b. (L.O.3.1) Vẽ dạng sóng điện áp tải vt dòng tải it vào hình 5b (0,5đ).
c. (L.O.3.2) Tính hệ số công suất nguồn (0,5đ). 400V vin 220 2 T1 iT1 v i 200V t t 22 2 it i T T2 2 v 0V in R vt -200V (a) -400V 0ms 10ms 20ms (b) Hình 5 --- HẾT---
MSSV: ........................................ Họ và tên SV: ........................................................................................................... Trang 4/7 Đáp Án Câu 1 Giải chi tiết Điểm Khi khoá S dẫn:
𝑉𝐿(𝑜𝑛) = 𝑈𝑑 Khi khoá S tắt:
𝑉𝐿(𝑜𝑓𝑓) = 𝑈𝑑 − 𝑈𝑜 a)
Áp dụng điều kiện cân bằng từ thông cho cuộn dây L 0.5đ
𝑉𝐿(𝑜𝑛)𝛾𝑇𝑠 = 𝑉𝐿(𝑜𝑓𝑓)(1 − 𝛾)𝑇𝑠
(𝑈𝑑)𝛾 = (𝑈𝑑 − 𝑈𝑜)(1 − 𝛾) 𝑈 => 𝑑 𝑈𝑜 = (1 − 𝛾) 𝑈𝑑 𝑈𝑜 = (1 − 𝛾) 0.25đ 𝑈 48 − 24 𝑜 − 𝑈𝑑 b) 𝛾 = = = 0.5 𝑈 48 𝑜
Vẽ xung kích khoà S lên hình 1b, điện áp vL lên hình 1c, phải có chú 0.25đ
thích mức điện áp của vL
Gọi ∆𝑖𝐿 = 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝐿𝑚𝑖𝑛 𝑑𝑖 𝑉 𝐿 𝐿 = 𝐿 𝑑𝑡
Xét biến thiên dòng của iL trong khoản thời gian Ton= 𝛾Ts ∆𝑖 0.25đ 𝑉 𝐿 𝐿 = 𝐿 ∆𝑡 𝑉 𝑈 𝛾𝑇 𝑈 𝛾 24𝑉 × 0.5 ∆𝑖
𝐿∆𝑡 = 𝑑 𝑠 = 𝑑 = = 2𝐴 c) 𝐿 = 𝐿 𝐿 𝐿𝑓 300𝜇𝐻 × 20𝑘𝐻𝑧 𝑃 120 𝐼 𝑜 𝑜 = = = 2.5𝐴 𝑈𝑜 48 ∆𝑖 2 𝐼 𝐿 0.5đ 𝐿𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑜 + = 2.5 + = 3.5 𝐴 2 2 ∆𝑖 2 𝐼 𝐿
𝐿𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝑜 − = 2.5 − = 1.5 𝐴 2 2
Vẽ dòng điện iL lên hình 1d. Phải có chú thích 𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥, 𝐼𝐿𝑚𝑖𝑛 0.25đ Tổng 2đ
MSSV: .........................................Họ và tên SV: ...................................................................................... Trang 5/7 Câu 2 Giải chi tiết Điểm a)
Vẽ điện áp uo lên hình 2c 0.5đ
𝑈𝑜 = 𝛾𝑈𝑑 = 0.6 × 200 = 120𝑉 𝑈 120 − 116 0.25đ 𝐼 𝑜 − 𝐸 𝑜 = = = 2𝐴 𝑅 2 b)
Vẽ dòng điện io lên hình 2d, phải chú thích được giá trị dòng điện max 0.5đ và min
𝑈𝑜 > 0, 𝐼𝑜 > 0 công suất truyền từ nguồn qua tải 0.25đ Vẽ dòng điện i c)
S1 và iD1 lên hình 2e, phải chú thích được khoản dẫn của 0.5đ
diode D1 và khoá S1 Tổng 2đ Câu 3 Giải chi tiết Điểm
Vẽ dạng xung kích của S a)
1 và S4 lên hình 3c 0.5đ
Vẽ điện áp ngõ ra uo lên hình 3d 0.25đ 1 𝑈 (𝑈 ̂ 1 400 (𝑈 ̂ (𝑈 𝑑 𝐴𝑜)ℎ 𝐴0)ℎ 𝐴𝑜)ℎ = × × = × × √2 2 𝑈𝑑 √2 2 𝑈 2 2 (𝑈 400 1 (𝑈 ̂ (𝐼 𝐴0)ℎ 𝐴0)ℎ 𝐴0)ℎ = = × × 𝑅 0.25đ 2√2 10 𝑈 2 b) (𝑈 400 1 (𝑈 ̂ 400 0.6 (𝐼 𝐴0)1 𝐴0)ℎ 𝐴0)1 = = × × = × = 8.485𝐴 𝑅 2√2 10 𝑈 2√2 10 2
(𝐼𝐴𝑜)50 = 14.14 × 1.006 = 14.22A tại 2500Hz 0.5đ (
𝐼𝐴𝑜)48 = 14.14 × 0.131 = 1.8523A tại 2400Hz +
(𝐼𝐴𝑜)52 = 14.14 × 0.131 = 1.8523A tại 2600Hz 0.25đ Tổng 2đ Câu 4 Giải chi tiết Điểm
Vẽ dạng xung kích S1→S6 vào hình 4b 0.5đ a) 1 4 × 𝑈 1 4 × 300 𝑈 𝑑 𝑡(1) = × = × = 270𝑉 0.5đ √2 𝜋 √2 𝜋 Vẽ xung S b)
1, S3, S5 vào hình 4c 0.5đ
Vẽ uAN hình 4d 0.5đ Tổng 2đ Câu 5 Giải chi tiết Điểm
𝑣𝑖𝑛 = 𝑈√2 sin(2𝜋𝑓𝑡) 2𝜋
𝑉𝑡(𝛼) = √ 1 ∫ (𝑈√2 sin(𝑥))2 với 𝑥 = 2𝜋𝑓𝑡 2𝜋 0 a) 0.5đ 1 𝜋 𝛼 sin (2𝛼)
𝑉𝑡(𝛼) = √ ∫ (𝑈√2 sin(𝑥))2 = 𝑈√(1 − + ) 𝜋 𝜋 2𝜋 𝛼
MSSV: .........................................Họ và tên SV: ...................................................................................... Trang 6/7
Trị hiệu dụng điện áp ngõ ra
𝑉𝑡(𝛼) = √𝑃 × 𝑅 = √2250 × 10 = 150𝑉 Với
𝑣𝑖𝑛 = 220√2 sin(100𝜋𝑡) 0.5đ ta có 𝛼 sin (2𝛼) 220√(1 − + ) = 150 V 𝜋 2𝜋
Ta giải được 𝛼 = 1.626 ≈ 93°
Lưu ý, vì góc kích 𝛼 = 1.626 ≈ 93° khó để thể hiện chính xác trên hình.
Vì vậy khi vẽ hình, điện áp và dòng điện tại góc kích 𝑣𝑡(𝛼) 𝑣à 𝑖𝑡(𝛼) có thể
xem gần đúng là điện áp và dòng điện tại góc kích 𝛼 = 90° 0.5đ 𝑣𝑡(𝛼) 220√2 𝑖𝑡(𝛼) = ≈ = 22√2𝐴 𝑅 10 b) 𝑃 𝑣 150 𝑃𝐹 = = 𝑡 = = 0.681 𝑆 𝑣𝑖𝑛 220 Hoặc 0.5đ 𝛼 sin (2𝛼) 𝑃𝐹 = √(1 − + ) = 0.681 𝜋 2𝜋 Tổng 2đ
MSSV: .........................................Họ và tên SV: ...................................................................................... Trang 7/7