Detail předmětu

Výkonová elektronika

FEKT-BVELAk. rok: 2010/2011

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

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, 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. 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. 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, sinusová PWM.
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.

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 i laboratorních cvičeních je povinná.

Základní literatura

Vrba, J.: Výkonová elektronika 1b. Elektronický text VUT FEKT Brno 2003 (CS)

Doporučená literatura

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

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-TLI , 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-AMT , 3 ročník, zimní semestr, volitelný mimooborový
    obor B-SEE , 3 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

Úvod,obsah a význam výkonové elektroniky,její historický vývoj.
Prvky měničů.Fyzikální podstata a vlastnosti. Zatížitelnost a řazení prvků.
Usměrňovače.Rozdělení,základní pojmy.Analýza výstupních veličin.
Vyšší harmonické výstupních veličin.
Komutace usměrňovačů a její důsledky v usměrňovačovém a invertorovém chodu.
Reverzační usměrňovače. Dimenzování usměrňovačů a návrh filtrační tlumivky.
Elektromagnetická kompatibilita.Pulsně řízené usměrňovače. Aktivní filtry.
Střídavé měniče napětí.Princip,rozdělení a použití.
Střídače.Princip,rozdělení a použití.
Řízení výstupního napětí.
Stejnosměrné měniče.Analýza výstupních veličin.Použití.
Spínané stejnosměrné měniče blokující a propustné.
Tranzistorový spínač jako základní stavební prvek.Význam a vlastnosti budícího stupně.

Cvičení odborného základu

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Statické vlastnosti polovodičových prvků a jejich vliv na ztráty. Analýza výstupních veličin měničů. Dimenzování měničů. Návrh filtrační tlumivky. Zaťežovací charakteristiky.

Laboratorní cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Statické vlastnosti polovodičových prvků.
Řízený usměrňovač. Řídicí charakteristiky. Zatěžovací charakteristiky. Vliv charakteru zátěže na průběh stejnosměrných veličin.
Řízený usměrňovač. Usměrňovačový a invertorový chod.
Střídavý měnič napětí. Řídicí charakteristiky. Analýza výstupních veličin při různé zátěži.
Stejnosměrný měnič. Řídicí a zatěžovací charakteristiky.Analýza výstupních veličin.
Střídač. Analýza výstupních veličin. Základní charakteristiky
Spínaný stejnosměrný měnič. Základní vlastnosti.