Detail předmětu

Výkonová elektronika

FEKT-KVELAk. rok: 2017/2018

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.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

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.

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

100 bodů u zkoušky.

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.

Učební cíle

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.

Základní literatura

Z.Čeřovský,J.Pavelka : Výkonová elektronika 1, skripta ČVUT (CS)
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)
Bose, B.K.: Power Elecronics and AC drives. Prentice Hall 1986 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-BK bakalářský

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

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

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

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

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. 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.

Cvičení odborného základu

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

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

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.