Detail předmětu

Výkonová elektronika

FEKT-BVELAk. rok: 2012/2013

Definice výkonového měniče, princip bezeztrátovosti. Základní čtyři typy měničů: stř/ss, stř/stř, ss/ss, ss/stř. Kaskáda více měničů, ss. meziobvod. Statické tepelné jevy. Chlazení polovodičů. Požadovaný tepelný odpor chladiče. Činný výkon; jeho výpočet ve zvláštních případech. EMC v nf. oblasti, účiník.
Výkonové spínací součástky, přehled: neřiditelné (D), polořiditelné (Ty, Tr), celořiditelné (BT, MOS-FET, IGBT, GTO). Mezní, statické, dynamické parametry.
Vybrané kapitoly z teorie polovodičů. Struktura čipu výkonových prvků: dioda rychlá, pomalá, tyristor symetrický, nesymetrický, bipolární tranzistor, MOS-FET, IGBT, GTO. Podrobná analýza zapínacího a vypínacího děje v tranzistorech. Výpočet přepínacích ztrát.
Usměrňovače: stř/ss. Třídění: neřízené, řízené, polořízené, uzlové/můstkové, m-fázové, q-pulsní, s/bez nulové diody. Síťové stejnosměrné napaječe tranzistorových měničů. Střídavé měniče napětí, stř/stř: 1-fáz, 3-fáz. IO pro fázové řízení triaků. Stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče ss/ss. Analýza měniče pracujícího v I. Q. Střídače jednofázové, trojfázové, ss/stř. Řízení ss. pulsních měničů a střídačů: PWM pro stejnosměrné měniče, sinusová PWM pro střídače 1-fáz, 3-fáz. Magnetické jevy ve výkonové elektronice. Transformátor. Obvodový model transformátoru napětí, proudu. Stejnosměrné pulsní měniče s transformátorem: Pouze přehled, jednočinný propustný měnič.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka

Zajišťuje ústav

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky (UVEE)

Výsledky učení předmětu

Pochopení funkce základních polovodičových měničů. Schopnost aktivního návrhu měničů.

Prerekvizity

Znalosti na úrovni druhého ročníku bakalářského studia na FEKT

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

5 x 3 body = 15 bodů za 5 laboratorních úloh.
5 + 10 = 15 bodů za dva písemné testy v průběhu semestru.
70 bodů u zkoušky.
100 bodů celkem.

Osnovy výuky

1. Definice výkonového měniče, princip bezeztrátovosti (smí obsahovat L, C, transformátor, ideální spínací prvek). Základní čtyři typy měničů: stř/ss, stř/stř, ss/ss, ss/stř, (bez/s transformátorem). Kaskáda více měničů, ss. meziobvod napěťový/proudový, meziobvod kmitavý, přímé maticové měniče bez ss. meziobvodu.
2. Statické tepelné jevy (nikoli dynamické). Chlazení polovodičů. Požadovaný tepelný odpor chladiče.
3. Činný výkon; jeho výpočet ve zvláštních případech: lin. odpor, zdroj konst. napětí, konst. proudu, nelinearita typu lomená přímka, lin. impedance, nelin. impedance, spínací ztráty.
4. EMC v nf. oblasti, účiník, zkreslení fázového proudu.
5. Výkonové spínací součástky, přehled: neřiditelné (D), polořiditelné (Ty, Tr), celořiditelné (BT, MOS-FET, IGBT, GTO). Mezní, statické, dynamické parametry.
6. Usměrňovače: stř/ss. Třídění: neřízené, řízené, polořízené, uzlové/můstkové, m-fázové, q-pulsní, s/bez nulové diody. Typické druhy zátěže: ss. motor, LC-filtr, akumulátor, svařovací oblouk. Odvození střední hodnoty výstupního napětí. Zdůvodnění, proč právě střední hodnota je užitečná. Usměrňovač z pohledu kybernetiky: řídicí char., dopravní zpoždění, dynamika. Čtyřkvadrantové usměrňovače s/bez okruhových proudů.
7. Zvlnění proudu v zátěži usměrňovače. Tvary vstupních fázových proudů, jejich ef. hodnoty. Typový výkon transformátoru. Výpočet potřebné indukčnosti v případě řízeného a neřízeného usměrňovače.
8. Síťové stejnosměrné napaječe tranzistorových měničů. Dvojcestný neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Šestipulsní neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem, s LC-filtrem.
9. Střídavé měniče napětí, stř/stř: 1-fáz, 3-fáz. Zátěž R, L, R-L, R-L-Ui. Odvození řídicí charakteristiky pro R-zátěž. Zdůvodnění, proč právě efektivní hodnota výstupního napětí je užitečná. IO pro fázové řízení triaků. Řízení typu "dlouhodobě zapnuto/vypnuto".
10. Stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče ss/ss. Rozdělení podle schopnosti pracovat v jednotlivých kvadrantech VA-charakteristiky zátěže. Analýza měniče pracujícího v I. Q. Výpočet zvlnění proudu. Střídače jednofázové, trojfázové, ss/stř. Definice napětí v soustavě 3f. střídač - motor.
11. Řízení ss. pulsních měničů a střídačů. PWM pro stejnosměrné měniče. Sinusová PWM pro střídače jednofázové a trojfázové.
12. Magnetické jevy ve výkonové elektronice. Transformátor. Matice přenosových dvojbranů - 3 stupně volnosti. Klasifikace tr. podle činitele vazby. Z-matice, Hu-matice, Hi-matice. Obvodový model transformátoru napětí, proudu.
13. Stejnosměrné pulsní měniče s transformátorem. Pouze přehled. Jednočinný propustný měnič. Průběhy veličin. Počet primárních závitů. Systémové řešení síťových spínaných zdrojů: řídicí obvody na sekundární/primární straně.

Učební cíle

Seznámit studenty se základními principy výkonové elektroniky.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na všech numerických a laboratorních cvičeních je povinná.

Základní literatura

Vrba, J.: Výkonová elektronika 1b. Elektronický text VUT FEKT Brno 2003 (CS)
Patočka M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, sv. 1, skriptum FEKT, VUT Brno (CS)
Patočka M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, sv. 2, skriptum FEKT, VUT Brno (CS)
Patočka M.: Výkonová elektronika, 1. část - usměrňovače, střídavé měniče napětí, skriptum FEKT, Brno, 2010 (CS)
Patočka M.: Magnetické obvody Elektronický učební text, FEKT, VUT Brno (CS)

Doporučená literatura

K.Heumann,A.Stumpe:Thyristoren,B.G.Teubner (DE)
Z.Čeřovský,J.Pavelka : Výkonová elektronika 1, skripta ČVUT (CS)
Bose, B.K.: Power electronics and AC Drives. Prentice Hall 1986 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-SEE , 2. ročník, zimní semestr, povinný
    obor B-AMT , 3. ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor B-EST , 3. ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor B-MET , 3. ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor B-TLI , 3. ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka

Osnova

1. Definice výkonového měniče, princip bezeztrátovosti (smí obsahovat L, C, transformátor, ideální spínací prvek). Základní čtyři typy měničů: stř/ss, stř/stř, ss/ss, ss/stř, (bez/s transformátorem). Kaskáda více měničů, ss. meziobvod napěťový/proudový, meziobvod kmitavý, přímé maticové měniče bez ss. meziobvodu.
2. Statické tepelné jevy (nikoli dynamické). Chlazení polovodičů. Požadovaný tepelný odpor chladiče.
3. Činný výkon; jeho výpočet ve zvláštních případech: lin. odpor, zdroj konst. napětí, konst. proudu, nelinearita typu lomená přímka, lin. impedance, nelin. impedance, spínací ztráty.
4. EMC v nf. oblasti, účiník, zkreslení fázového proudu.
5. Výkonové spínací součástky, přehled: neřiditelné (D), polořiditelné (Ty, Tr), celořiditelné (BT, MOS-FET, IGBT, GTO). Mezní, statické, dynamické parametry.
6. Usměrňovače: stř/ss. Třídění: neřízené, řízené, polořízené, uzlové/můstkové, m-fázové, q-pulsní, s/bez nulové diody. Typické druhy zátěže: ss. motor, LC-filtr, akumulátor, svařovací oblouk. Odvození střední hodnoty výstupního napětí. Zdůvodnění, proč právě střední hodnota je užitečná. Usměrňovač z pohledu kybernetiky: řídicí char., dopravní zpoždění, dynamika. Čtyřkvadrantové usměrňovače s/bez okruhových proudů.
7. Zvlnění proudu v zátěži usměrňovače. Tvary vstupních fázových proudů, jejich ef. hodnoty. Typový výkon transformátoru. Výpočet potřebné indukčnosti v případě řízeného a neřízeného usměrňovače.
8. Síťové stejnosměrné napaječe tranzistorových měničů. Dvojcestný neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Šestipulsní neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem, s LC-filtrem.
9. Střídavé měniče napětí, stř/stř: 1-fáz, 3-fáz. Zátěž R, L, R-L, R-L-Ui. Odvození řídicí charakteristiky pro R-zátěž. Zdůvodnění, proč právě efektivní hodnota výstupního napětí je užitečná. IO pro fázové řízení triaků. Řízení typu "dlouhodobě zapnuto/vypnuto".
10. Stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče ss/ss. Rozdělení podle schopnosti pracovat v jednotlivých kvadrantech VA-charakteristiky zátěže. Analýza měniče pracujícího v I. Q. Výpočet zvlnění proudu. Střídače jednofázové, trojfázové, ss/stř. Definice napětí v soustavě 3f. střídač - motor.
11. Řízení ss. pulsních měničů a střídačů. PWM pro stejnosměrné měniče. Sinusová PWM pro střídače jednofázové a trojfázové.
12. Magnetické jevy ve výkonové elektronice. Transformátor. Matice přenosových dvojbranů - 3 stupně volnosti. Klasifikace tr. podle činitele vazby. Z-matice, Hu-matice, Hi-matice. Obvodový model transformátoru napětí, proudu.
13. Stejnosměrné pulsní měniče s transformátorem. Pouze přehled. Jednočinný propustný měnič. Průběhy veličin. Počet primárních závitů. Systémové řešení síťových spínaných zdrojů: řídicí obvody na sekundární/primární straně.

Cvičení odborného základu

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Petr Procházka, Ph.D.

Osnova

1. Tepelné jevy v ustáleném stavu. Chlazení polovodičů. Výpočet požadovaného tepelného odporu chladiče.
2. Činný výkon; jeho výpočet ve zvláštních případech.
3. Řízené usměrňovače. Zvlnění proudu zátěže. Požadovaná indukčnost filtrační tlumivky. Typový výkon transformátoru.
4. Síťové neřízené usměrňovače - ss. napaječe. Návrh.
5. Tranzistorové měniče DC/DC. Návrh.
6. Tranzistorové střídače DC/AC. Návrh.
7. Magnetické jevy ve výkonové elektronice. Návrh tlumivky. Návrh impulsního transformátoru.

Laboratorní cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Petr Procházka, Ph.D.

Osnova

1. Řízený usměrňovač. Řídicí charakteristiky. Zatěžovací charakteristiky. Vliv charakteru zátěže na průběh stejnosměrných veličin.
2. Neřízené diodové usměrňovače. Vlastnosti.
3. Střídavý měnič napětí. Řídicí charakteristiky. Analýza výstupních veličin při různé zátěži.
4. Stejnosměrný měnič. Řídicí a zatěžovací charakteristiky. Analýza výstupních veličin.
5. Střídač. Analýza výstupních veličin. Základní charakteristiky.