(Tiempo: 50 minutos) (Tiempo: 40 minutos)

Transcripción

1 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) Primer ejercicio El sistema de alimentación eléctrica de un automóvil de motor de explosión está compuesto por un acumulador o batería (generador de continua recargable) y un alternador que gira solidario al motor térmico. El acumulador tiene una tensión de v y una capacidad de 45A.h. Su misión es proporcionar energía eléctrica a los dispositivos del vehículo cuando el motor se encuentra parado y en el momento del arranque. Una ve que el vehículo se pone en marcha, el alternador es el encargado de suministrar la demanda de consumo así como de restablecer la carga del acumulador. El alternador suministra una tensión alterna senoidal trifásica de U 3 v. a regulación de la carga del acumulador se efectúa mediante el empleo de un rectificador controlado de media onda a la salida del alternador, según se muestra en la figura. Se pide: 3 SCR SCR SCR3 R v 45 Ah a. Dibujar formas de onda de tensión y corriente en la salida del rectificador y en la R para un ángulo de disparo. Œ QGFDQGR OR YDORUH instantáneos más característicos. b. Calcular la intensidad media de carga del DFXPXODGRU SDUD. Œ c. Ángulo. D SDUWU GHO FXDO OD FRUUHQWH GH FDUJD H anula en algún instante. d. Expresión que relacione la intensidad media con el ángulo de disparo. 6XSRQHU TXH HQ QQJún FDR. º. e. Si el acumulador se encuentra inicialmente a 4/5 de su capacidad y bajo proceso de carga a QWHQGDG PHGD FWH \ 5 GHWHUPQDU HO ángulo de disparo. TXH SHUPWD OOHJDU DO de su capacidad en h. (Tiempo: 5 minutos) Segundo ejercicio Para el regulador monofásico de c.a. de la figura se pide:. Formas de onda de tensión y corriente en T, D, D y en la carga durante 4 ms para un control por fase con ángulo de disparo de 9º. ndíquese los valores instantáneos más significativos. Considere la caída de tensión de los semiconductores.. Con el ángulo de disparo indicado, determinar la corriente efica por la carga, por el tiristor y por los diodos. Suponga en este apartado y en los dos siguientes, ideales los semiconductores. :, 5H T 3. o mismo que en el anterior apartado, pero calculando el valor medio de la corriente. 4. Determinar el valor del ángulo de disparo para obtener un octavo de la ima potencia en la carga. 5. Es necesario poner disipador a los diodos?, en caso de ser afirmativo, calcular del disipador si se ponen sobre el mismo todos los diodos del interruptor bidireccional. Suponer que la temperatura ambiente ima alcana hasta los 7ºC. Datos Diodos y tiristor: v (ON) ; R θjc.6 K/W; R θcs. K/W; R θjs 6 K/W; T jmax 5 ºC; R Ω, D D R (Tiempo: 4 minutos) Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

2 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) Tercer ejercicio El circuito de la figura es un convertidor directo CC/CC. a rama formada por D y D 4 sirve para desmagnetiar el núcleo antes de que comience un nuevo ciclo. Se pide:. Dibujar los circuitos equivalentes del primario y del secundario para cada una de las tres fases por las que pasa el circuito durante cada ciclo.. Calcular el ciclo de trabajo imo con el que puede funcionar el circuito es decir, que garantice la desmagnetiación del núcleo al final de cada ciclo, en función de la tensión éner Z de D 4 y de. 3. Para un ciclo de trabajo d,3 y una tensión éner de D 4 Z 48, dibujar las formas de onda de la tensión drenadorfuente del MOSFET u M, la corriente de drenador del MOSFET i M, la tensión en el primario u p, la corriente por el primario i p, la tensión en el secundario u s y la corriente del secundario i s. 4. Calcular la energía ima que llega a almacenarse en el núcleo del transformador en cada ciclo. Puesto que esa energía se disipa en D 4, cuál es la potencia media que se pierde por esta causa? 5. Calcular la potencia media que entrega el secundario a la carga. 6. Si las únicas pérdidas en el circuito son las correspondientes a la magnetiación del transformador, cuál es la potencia de entrada? Y cuál es el rendimiento? 7. Existe alguna alternativa para desmagnetiar el transformador que mejore el rendimiento? Si es así, dibujar el circuito de desmagnetiación y explicar por qué mejora el rendimiento. Datos: m 44 µh, f s kh, n,88 e D p Up TX s D 5A 48 n: CTR M (Tiempo: 45 minutos) Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

3 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) RESOUCÓN DE EXAMEN Primer ejercicio a) Para. Œ s 3. Œ. 6.4 o 66.4 o SE>> r r A R T S s 5.5 A 8 v A A -5A s 5ms ms 5ms ms 5ms - (R) Time b) y d): R 3DUD.!º : 3 U max cos α cos cos α cos R 3DUD. Œ : 5.5 A c) α cos e) C% 45 A h C4/ A h Carga hasta el %: 9 A.h 5 Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

4 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) En h a cte se necesitan 9 Ah 9 A h De la expresión f ( α) numérico de N-R) de los apartados b) y d) se obtiene que para 9 A :. Œ $SOFDndo método Segundo ejercicio u _ t i r i s t o r s 5 m s m s 5 m s m s 5 m s 3 m s 3 5 m s 4 m s ( ) - ( 5 ) u _ D - - s 5 m s m s 5 m s m s 5 m s 3 m s 3 5 m s 4 m s ( ) - ( ) u _ D - - s 5 m s m s 5 m s m s 5 m s 3 m s 3 5 m s 4 m s ( 5 ) - ( ). 5 A. A. 5 A A s 5 m s m s 5 m s m s 5 m s 3 m s 3 5 m s 4 m s ( X T. S ) Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

5 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/). 5 A. A. 5 A A s 5 m s m s 5 m s m s 5 m s 3 m s 3 5 m s 4 m s ( D ). ( α ) max α sen R( RMS ) R( RMS ) R( RMS ). 85A R mientras la corriente efica por los diodos será: RMS max sen t d t D RMS ω ω D. 6 ( ) ( ) ( ) A 3. Por ser un regulador de alterna, la corriente continua en la carga será cero, mientras que la corriente continua de frecuencia cero será la mitad en el diodo respecto a la del tiristor. max T A D A sen ωt dωt T A.54A D A. 7 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A 4. Al establecer la relación de /8 de la potencia ima se deriva la siguiente expresión: α' sen ( ) ( α ) P max P α Habrá de emplear el método de Newton-Rhapson; una buena semilla sería un ángulo de disparo de º, ya que se desea una potencia relativamente pequeña. Tras varias iteraciones queda un disparo de.57 rad. 5. a potencia ima media, A, en el diodo será: TJ,max T max a,max Pd, max( A ) ( ON ).54W Rϑ,max.66K / W Pd,max Por tanto, como la resistencia térmica entre la unión y el ambiente, R θja, es de 6K/W y en consecuencia menor que el valor imo, el diodo puede disipar de forma natural está potencia. No hay necesidad de poner ningún disipador. T ( RMS ) Tercer ejercicio. El circuito pasa por tres fases. En la primera M está cerrado, D está directamente polariado, D y D 3 están inversamente polariados, D 4 está sin polariar (toda la tensión cae en D ) y el transformador está magnetiado y en funcionamiento. Es durante esta fase cuando se transfiere energía al secundario. Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

6 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) t < t on p s D D m Up 44uH.74A 6.6 5A 48 M En la segunda fase el interruptor se abre y la transferencia de energía al secundario cesa. No obstante, el núcleo del transformador permanece aún magnetiado con la energía que acumuló en su inductancia magnetiante durante la primera fase; sin embargo, para un correcto funcionamiento, el trafo debe desmagnetiarse antes de que comience el siguiente ciclo. Por ello, es necesario suministrar un camino por el cual circule la intensidad magnetiante de forma que, inicialmente, el flujo conserve su signo y su magnitud y, además, dicha corriente realice un trabajo a costa de la energía almacenada en el núcleo. Puesto que la corriente ha estado entrando por el terminal correspondiente del primario, ahora la corriente también debe entrar por un terminal correspondiente ya sea el del primario o el del secundario Como se especifica en el enunciado, los encargados de la desmagnetiación son D y D 4, que proporcionan ese camino. a energía del núcleo se disipa en forma de calor en el éner, cuya tensión se opone a la circulación de corriente en ese sentido. Como el trafo continúa magnetiado, sigue induciendo tensión en el secundario. t on t < t p s D D 48 m 44uH 48 Up 6.6 5A M En la tercera fase la energía del núcleo se ha disipado por completo en el éner, y el trafo está completamente desmagnetiado. Por tanto, ya no circula ninguna corriente por sus devanados ni se induce ninguna tensión en ninguno de ellos. t t < T p s D D m 44uH Up 5A 48 M. El caso límite será aquel para el que t T. Podemos trabajar con la corriente de magnetiación: Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

7 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) i i i i mag Φ Φ Φ Φ 3. mag mag mag mag mag mag mag + i t t m t on_ m mag u p ( T t ) dt m on_ t on_ m con el flujo de magnetiación: t u pdt N t t on_ t on N N ( T ton ) _ N + Φ mag _ ( T t ) on_ m ( T t ) N on_ d d A u DS (M).A A 5 i DS (M) -5 4.A u p.a A us 5us us 5us us i p t Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid

8 TERCER PARCA DE EECTRÓNCA ANAÓGCA (/) - 5.A u s A us 5us us 5us us i s t 4. a energía almacenada en el núcleo se relaciona con la inductancia de magnetiación y la corriente de magnetiación a través de la misma fórmula que la energía almacenada en cualquier otra inductancia: E 44+ ( ) mag_ 7- mimag_ A 48, 3 imag_ A 44+ Esa energía se tiene que disipar en cada ciclo, por lo que la potencia perdida es: Emag _ Pmag Emag _ f 7- kh 7,W T 5. Sólo se transfiere energía durante el tiempo que está cerrado el interruptor y hay corriente por el secundario: t T on 48 P n s usisdt 5A,3 5W T T,88 6. Si las únicas pérdidas son las debidas a la desmagnetiación del núcleo, entonces: P P + P 5W + 7,W 3,W e Ps η P e s mag 5W 3,W, Para mejorar el rendimiento del convertidor directo se puede emplear un transformador con devanado auxiliar. En este caso, al abrirse el interruptor, el flujo lo mantiene el devanado auxiliar, que se conecta en serie con la fuente de tensión de entrada. De esta manera la energía almacenada en el núcleo no se pierde, sino que se devuelve a la fuente. Dpto. Electrónica, Automática e nformática ndustrial Escuela Universitaria de ngeniería Técnica ndustrial de Madrid