Detail předmětu

Výkonová elektronika

FEKT-BPC-VELAk. rok: 2020/2021

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.
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. Stejnosměrné pulsní měniče s transformátorem: Pouze přehled, jednočinný propustný měnič.

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. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „pracovníka poučeného“ dle Vyhl. 50/1978 Sb., kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

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 electronics 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

20 bodů za písemný test v 8. týdnu semestru. (Ověření znalostí z numerických cvičení.)
1+1+1+1 body = 4 body za 4 laboratorní úlohy.
6 bodů za písemný test ve 12. týdnu semestru. (Ověření znalostí z laboratorních cvičení.)

Udělení zápočtu je podmíněno dosažením minimálně patnácti bodů z výše uvedených třiceti dosažitelných bodů.

70 bodů u závěrečné zkoušky. (7 příkladů po 10 bodech.)
100 bodů celkem.

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

1. Definice výkonového měniče, princip bezeztrátovosti. Základní čtyři typy měničů: stř/ss, stř/stř, ss/ss, ss/stř. Kaskáda více měničů se ss meziobvodem, přímé maticové měniče bez ss meziobvodu.
2. Statické tepelné jevy (nikoli dynamické). Chlazení polovodičů. Výpočet požadovaného tepelného odporu chladiče.
3. Činný výkon. Jeho výpočet ve zvláštních případech: lin. odpor, zdroj konst. napětí, zdroj konst. proudu, nelinearita typu lomená přímka, lin. impedance, nelin. impedance, spínací ztráty.
4. EMC v nf. oblasti, účiník, zkreslení fázového proudu. Posuzování kvality spotřebičů připojených na síť.
5. Výkonové spínací součástky. Přehled: neřiditelné (D), polořiditelné (Ty, Tr), celořiditelné (BT, MOS-FET, IGBT, GTO). Mezní, statické, dynamické parametry. Budicí obvody tranzistorů.
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 zátěže 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.
11. Střídače, ss/stř: jednofázové, trojfázové. 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. Přehled ss pulsních měničů s vf. imp. transformátorem. Jednočinný propustný měnič.

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 BPC-AUD bakalářský

    specializace AUDB-TECH , libovolný ročník, zimní semestr, 6 kreditů, volitelný

  • Program BPC-AMT bakalářský, libovolný ročník, zimní semestr, 6 kreditů, volitelný
  • Program BPC-EKT bakalářský, libovolný ročník, zimní semestr, 6 kreditů, volitelný
  • Program BPC-SEE bakalářský, 2. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinný
  • Program BPC-MET bakalářský, 3. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinně volitelný
  • Program BPC-TLI bakalářský, 3. ročník, zimní semestr, 6 kreditů, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Cvičení odb. zák.

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor