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

6

Garant předmětu

doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka

Zajišťuje ústav

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky (UVEE)

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

doc. Dr. Ing. Miroslav Patočka

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

Ing. Petr Procházka, Ph.D.

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

Ing. Petr Procházka, Ph.D.

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.