Detail předmětu

Technika výkonových měničů

FEKT-MTVMAk. rok: 2019/2020

Tepelné jevy ve výkonové elektronice. Činný výkon, jeho výpočet a měření. Výpočet ztrát v měniči. Stejnosměrné pulsní měniče. Střídače. Analýza jednokvadrantového měniče, snižujícího napětí. Pulsní šířková modulace - PWM. Výkonové spínací tranzistory. Budiče výkonových spínacích tranzistorů. Analýza zapínacího a vypínacího děje v tranzistoru.

Garant předmětu

Výsledky učení předmětu

Písemnou a ústní zkouškou se ověřuje, že absolvent předmětu je schopen:
- Analyzovat a počítat dynamické tepelné jevy. Spočítat a konstruovat vzduchový i kapalinový chladič s požadovaným tepelným odporem. Popsat princip činnosti tepelné trubice.
- Definovat činný výkon, spočítat a změřit jej v typických případech vyskytujících se ve výkonové elektronice.
- Definovat kritéria EMC v nf. a vf. oblasti. Definovat kvalitu elektrických spotřebičů podle norem EMC.
- Vyjmenovat a znázornit stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče (ss/ss): Měniče pracující v 1Q, 2Q, 1+2Q, 1+4Q, 1 až 4Q, měnič se společnou tlumivkou, měniče Čuk, SEPIC, Zeta.
- Měnič pracující v 1Q analyzovat v režimu spojitých i přerušovaných proudů. Navrhnout a spočítat výstupní LC-filtr pro tento měnič.
- Analyzovat střídače (ss/stř) 1-fáz., 3-fáz. Definovat všechna napětí v soustavě 3-fáz. střídač - motor.
- Popsat a analyzovat PWM pro řízení ss. pulsních měničů i střídačů.
- Vyjmenovat a definovat mezní, statické a dynamické parametry výkonových spínacích součástek (D, Tyr., Tr., BJT, MOS-FET, IGBT, GTO).
- Analyzovat zapínací a vypínací děj v tranzistoru. Definovat RBSOA. Spočítat spínací ztráty v tranzistoru.
- Popsat obvodové řešení a všechny funkce budiče spínacích tranzistorů.

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 a analyzovat stejnosměrné síťové napaječe.
- Sestavit a zapojit pracoviště pro měření výkonových tranzistorových spínačů.
- Oscilograficky zaznamenat a analyzovat zapínací i vypínací děj v tranzistoru IGBT.
- Snímat oscilografické průběhy impulsních proudů pomocí bezindukčního koaxiálního bočníku.
- Změřit ztrátové energie při zapnutí a vypnutí tranzistoru IGBT.
- Analyzovat funkci odlehčovacích obvodů a porovnat jejich vliv na vypínací děj v tranzistoru.
- Zaznamenat oscilografické průběhy v pulsním měniči pracujícím v 1Q. a průběhy analyzovat.
- Zaznamenat oscilografické průběhy v 1-fáz. střídači pracujícím v režimu sinusové PWM a průběhy analyzovat.

V numerických cvičeních se student naučí následující dovednosti:
- Proudově a napěťově dimenzovat výkonové spínací tranzistory.
- Spočítat ztrátový výkon výkonové spínací součástky způsobený vedením proudu.
- Spočítat a konstruovat vzduchový i kapalinový chladič s požadovaným tepelným odporem.
- Spočítat činný výkon v různých uzlech stejnosměrných pulsních měničů.

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

Chee-Mun Ong: Dynamic Simulation of Electric Machinery. Prentice-Hall, 1998. (EN)
Patočka M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, sv.I. (CS)
Patočka M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, sv.II. (CS)
Bose, B.K.: Power electronics and AC Drives. Prentice Hall 1986 (EN)

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 a analyzují pomocí osciloskopu 4 laboratorní úlohy (tranzistorové výkonové měniče).
V numerických cvičeních se počítají typické úlohy (návrhy aktivních a pasivních prvků výkonových měničů).

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

1. Dynamické tepelné jevy. Tabulka tepelně-elektrických-mechanických analogií. Celkový tepelný odpor chladiče, vodivá a zářivá složka.
2. Tepelné soustavy s jednou a více časovými konstantami. Tepelný model chlazené výkonové součástky.
3. Kapalinové chladiče. Chlazení skříní. Tepelné trubice.
4. Činný výkon (podrobněji): lin. odpor, zdroj konst. napětí, zdroj konst. proudu, nelinearita typu lomená přímka, komplexní harm. signály, lin. impedance, nelin. impedance, spínací ztráty.
5. EMC v nf. oblasti, účiník , zkreslení fázového proudu. Kompatibilní úrovně. Kritéria kvality spotřebiče připojeného na síť. EMC ve vf. oblasti. Síťové odrušovací filtry.
6. Stejnosměrné tranzistorové pulsní měniče ss/ss. Rozdělení podle schopnosti pracovat v jednotlivých kvadrantech VA-char. Měnič se společnou tlumivkou, Čuk, SEPIC, Zeta.
7. Analýza ss/ss měniče pracujícího v I. Q. Výpočet zvlnění proudu. Režim spojitých/přerušovaných proudů, zatěžovací charakteristika, návrh výstupního LC-filtru.
8. Střídače ss/stř. 1-fázové, 3-fázové. Dvojúrovňové, víceúrovňové, kaskádní.
9. Přehled výkonových spínacích součástek. Celořiditelné spínací součástky: BT, MOS-FET, IGBT, GTO. Mezní, statické, dynamické parametry. Analýza zapínacího a vypínacího děje, spínací ztráty.
10. Budiče výkonových spínacích součástek. Galvanické oddělení řídicího signálu a napájecího napětí. Koncový stupneň budiče. Elektronické ochrany. Technologie Smart devices.
11. Odlehčovací obvody, měkké spínání. Odlehčení vypínacího děje, zapínacího děje, obou dějů. Odlehčení spínače, odlehčení větve. Rezonanční a kvazirezonanční měniče.
12. Řízení ss. pulsních měničů a střídačů. PWM, sinusová PWM. Definice napětí v soustavě 3f. střídač - motor. Algoritmy sinusové PWM založené na různých geometrických principech: komparační metoda, cílená eliminace vyšších harmonických, polární modulace napětí, polární modulace mg. toku. Vliv sinusové PWM na ztráty v železe motoru.
13. Výkonové, napěťové a proudové dimenzování soustavy trojfázový měnič-asynchronní motor.

Cíl

Konstrukční a elektrický 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-M1 magisterský navazující

    obor M1-SVE , 1. 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.

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor