Detail předmětu

Výkonová elektronika

FEKT-KVELAk. rok: 2015/2016

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. Dvojčinný propustný měnič. Jednočinný blokující měnič. Systémové řešení síťových spínaných zdrojů: řídicí obvody na sekundární/primární straně.

Výsledky učení předmětu

Písemnou a ústní zkouškou se ověřuje, že absolvent předmětu je schopen:
- Definovat výkonový měnič. Vysvětlit princip bezeztrátovosti. Definovat ideální spínací prvek. Vyjmenovat základní čtyři typy měničů: stř/ss, stř/stř, ss/ss, ss/stř. Popsat kaskádu více měničů se ss. meziobvodem napěťovým/proudovým.
- Popsat statické tepelné jevy. Vysvětlit chlazení polovodičů. Spočítat požadovaný tepelný odpor chladiče.
- Definovat činný výkon. Spočítat vodivostní ztráty spínací součástky.
- Definovat EMC v nf. oblasti. Definovat účiník. Definovat činitel zkreslení fázového proudu.
- Vyjmenovat výkonové spínací součástky: neřiditelné (D), polořiditelné (Ty, Tr), celořiditelné (BT, MOS-FET, IGBT, GTO). Vyjmenovat jejich užitné parametry.
- Vyjmenovat všechny typy usměrňovačů (stř/ss): neřízené, řízené, polořízené, uzlové/můstkové, m-fázové, q-pulsní, s/bez nulové diody. Vyjmenovat typické druhy zátěže: ss. motor, LC-filtr, akumulátor, svařovací oblouk. Zdůvodnit, proč právě střední hodnota výstupního napětí je užitečná. Popsat usměrňovač z pohledu kybernetiky: řídicí char., dopravní zpoždění, dynamika.
- Znázornit zvlnění proudu v zátěži usměrňovače. Analyzovat tvary vstupních fázových proudů.
- Popsat a analyzovat stejnosměrné síťové napaječe tranzistorových měničů: dvojcestný neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem, šestipulsní neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem nebo s LC-filtrem.
- Vyjmenovat a popsat střídavé měniče napětí (stř/stř): 1-fáz., 3-fáz. Analyzovat jejich činnost se zátěží R. Odvodit řídicí charakteristiku pro R-zátěž a zdůvodnit, proč právě efektivní hodnota výstupního napětí je užitečná.
- Vyjmenovat stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče (ss/ss). Rozdělit je podle schopnosti pracovat v jednotlivých kvadrantech VA-charakteristiky zátěže. Analyzovat měnič pracující v I. Q.
- Analyzovat střídače 1-fáz., 3-fáz. (ss/stř).
- Popsat systém PWM pro řízení ss. pulsních měničů i střídačů.

V laboratorních cvičeních student měří a pomocí osciloskopu analyzuje signály v různých výkonových elektronických měničích. Student se naučí následující dovednosti:
- Ovládat a používat základní měřicí přístroje v laboratoři výkonové elektroniky: osciloskop, voltmetr, ampérmetr, stejnosměrné a střídavé laboratorní zdroje.
- Změřit provozní vlastnosti různých neřízených diodových usměrňovačů. Popsat změřené oscilografické průběhy proudů a napětí. Změřit zvlnění výstupního napětí a proudu.
- Změřit pulsní měnič pracující v prvním kvadrantu. Popsat změřené oscilografické průběhy proudů a napětí. Analyzovat zvlnění napětí a proudu na zátěži.
- Změřit jednofázový měnič střídavého napětí (stř/stř). Popsat změřené oscilografické průběhy proudů a napětí.
- Analyzovat průběhy napětí v 1-fázovém střídači pracujícím v režimu sinusové PWM.

V numerických cvičeních se student naučí následující dovednosti:
- Vypočítat střední a efektivní hodnotu typických signálů.
- Proudově a napěťově dimenzovat výkonové spínací součástky.
- Spočítat ztrátový výkon výkonové spínací součástky způsobený vedením proudu.
- Spočítat potřebný tepelný odpor chladiče v ustáleném stavu.
- Spočítat činný výkon v různých uzlech stejnosměrných pulsních měničů.
- Navrhnout a dimenzovat řízený usměrňovač. Spočítat v něm napěťové, proudové a výkonové poměry.
- Navrhnout a dimenzovat střídavý měnič napětí. Spočítat v něm napěťové, proudové a výkonové poměry.

Prerekvizity

Z oblasti aplikované matematiky musí mít student tyto předchozí znalosti: - Využívat a aplikovat matematické operace s komplexními čísly ve složkovém i polárním tvaru (sčítání, odečítání, násobení, dělení dvou čísel, absolutní hodnota, usměrňování komplexního zlomku). - Aplikovat základní principy integrálního a diferenciálního počtu funkce jedné proměnné: popis funkce cívky, tj. indukční zákon v diferenciálním a integrálním tvaru, podobně vztah mezi okamžitými hodnotami proudu a napětí na kondenzátoru v dif. a integr. tvaru, výpočet střední a efektivní hodnoty periodické funkce. Student, který si zapíše předmět, musí mít tyto předchozí znalosti: - Popsat základní vlastnosti diskrétních elektronických součástek (diod, bipolárních a unipolárních tranzistorů). - Absolvovat předmět BREB (Řídicí elektronika). - Prakticky umět využívat a aplikovat následující nástroje pro analýzu a syntézu elektrických obvodů: 1. Kirchhoffův zákon, 2. Kirchhoffův zákon, Ohmův zákon, Indukční zákon v diferenciálním i integrálním tvaru.

Doporučená nebo povinná literatura

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

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Přednášky probíhají s velmi výraznou podporou Power-Pointu. Studenti mají soubor v Power-Pointu k dispozici (navíc, kromě el. učebních textů).
V laboratorních cvičeních studenti měří pomocí osciloskopu 6 laboratorních úloh (výkonových měničů).
V numerických cvičeních se počítají typické úlohy (návrhy výkonových měničů, výpočet chladiče).

Způsob a kritéria hodnocení

3+3+3+1 body = 10 bodů za 4 laboratorní úlohy.
20 bodů za písemný test v 7. týdnu semestru.
70 bodů u zkoušky.
100 bodů celkem.

Jazyk výuky

čeština

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. Budicí obvody tranzistorů. Odlehčovací obvody tranzistorů.
6. 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.
7. 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.
8. Zvlnění proudu v zátěži usměrňovače. Tvary vstupních fázových proudů, jejich ef. hodnoty. Typový výkon transformátoru. Výpočet potřebné indukčnosti v případě řízeného a neřízeného usměrňovače.
9. Síťové stejnosměrné napaječe tranzistorových měničů. Dvojcestný neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem. Šestipulsní neřízený usměrňovač se sběracím kondenzátorem, s LC-filtrem.
10. 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".
11. 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.
12. Řízení ss. pulsních měničů a střídačů. PWM pro stejnosměrné měniče. Sinusová PWM pro střídače jednofázové a trojfázové.
13. Magnetické jevy ve výkonové elektronice. Transformátor. Obvodový model transformátoru napětí, proudu. Stejnosměrné pulsní měniče s transformátorem. Pouze přehled. Jednočinný propustný měnič. Systémové řešení síťových spínaných zdrojů: řídicí obvody na sekundární/primární straně.

Cíl

Seznámit studenty se základními principy výkonové elektroniky. Zvládnutí základních teoretických i praktických dovedností pro samostatný návrh výkonových měničů.

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

Účast na všech numerických a laboratorních cvičeních je povinná.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-BK bakalářský

    obor BK-SEE , 2. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Cvičení odb. zák.

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor