Энергетическая электроника

1
1. Цели освоения дисциплины
Целью учебной дисциплины является:
в области обучения – формирование специальных знаний, умений, навыков анализа, расчета и проектирования, а также компетенций в сфере современных высокоэффективных электронных систем;
в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального и личностного развития;
в области развития – подготовка студентов к дальнейшему освоению новых
профессиональных знаний и умений, самообучению, непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Энергетическая электроника» относится к вариативной части
вариативного междисциплинарного профессионального модуля подготовки бакалавра.
Дисциплине «Энергетическая электроника» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
 «Математика» - мат.1.1, мат.2.1, мат.3.1;
 «Физика» - физика 1.1, физика 2.1, физика 3.1;
 «Электротехника 3.1»;
 «Основы преобразовательной техники».
Содержание разделов дисциплины «Энергетическая электроника» согласовано
с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ): нет.
Освоение данной дисциплины служит основой для последующего изучения
дисциплин: «Модуляционные формирователи напряжения и тока», «Динамика
управляемых устройств» и других.
Для успешного освоения дисциплины студенты должны владеть базовыми методами расчета электрических цепей постоянного и переменного тока в установившемся и переходном режимах, иметь базовые знания об основных компонентах
устройств силовой электроники, способах их управления и защиты. Знать принцип
действия базовых схем преобразовательных устройств.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на
формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в
соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены
при изучении данной дисциплины
Результаты
обучения
(компетенции
из
ФГОС)
Составляющие результатов обучения
Код
Знания
Код
Умения
2
Код
Владение
опытом
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
-
-
-
-
В.2.2
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
-
-
У.4.1
-
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
З.5.3
-
-
-
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
-
Теоретические
основы электротехники,
методы составления и исследования уравнений, описывающих электромагнитные
процессы
в
электронных
устройствах
различного
назначения.
-
Проводить анализ и
расчет
линейных
цепей переменного
тока, анализ и расчет
электрических цепей
с нелинейными элементами.
-
Использования типовых пакетов прикладных программ,
применяемых при
проектировании
аппаратов, приборов и электронных
систем различного
назначения.
-
-
-
В.9.1
Планирования
и
организации индивидуальной работы
и работы в качестве
руководителя группы.
В результате освоения дисциплины «Энергетическая электроника» студентом
должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
№ п/п
РД1
РД2
РД3
Результат
Применять знание основных схем силовой электроники.
Выполнять расчеты основных узлов устройств преобразовательной техники.
Выполнять обработку и анализ данных, полученных при теоретических и
экспериментальных исследованиях.
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Особенности мощных преобразователей электрической энергии
большой мощности, принципы и особенности эксплуатации преобразователей электрической энергии.
Раздел 2. Преобразователи переменного напряжения в постоянное, вентильный преобразователь как элемент системы автоматического управления. Однофаз-
3
ные выпрямители. Трехфазные выпрямители. Умножители напряжения. Управляемые выпрямители, принцип импульсно-фазового управления, регулировочные характеристики. Сглаживающие фильтры. Способы ограничения сверхтоков при
включении выпрямителей.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Исследование однополупериодных выпрямителей и умножителей напряжения.
2. Исследование однофазных двухполупериодных выпрямителей.
3. Исследование трехфазных выпрямителей.
4. Исследование управляемого выпрямителя.
Раздел 3. Стабилизаторы постоянного напряжения и тока. Параметрические
стабилизаторы и источники опорных напряжений. Стабилизаторы напряжения и тока с непрерывным регулированием. Импульсные стабилизаторы напряжения. Реверсивные преобразователи постоянного тока. Системы управления и защиты импульсных стабилизаторов.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Исследование импульсного преобразователя напряжения понижающего типа.
2. Исследование импульсного преобразователя напряжения инвертирующего и
повышающего типов.
Исследование импульсного преобразователя напряжения понижающего типа с
широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения.
Раздел 4. Преобразователи постоянного напряжения в переменное. Однотактные инверторы. Особенности работы трансформатора. Передача энергии в нагрузку
при замкнутом или разомкнутом состоянии силового ключа. Способы обеспечения
полного магнитного цикла трансформатора. Подключение нагрузки через выпрямитель и фильтр. Двухтактные инверторы. Базовые схемы. Исключение сквозных токов через ключи. Симметрирование магнитного цикла трансформатора. Влияние
индуктивности нагрузки на работу инвертора. Процессы рекуперации. Получение
выходного напряжения синусоидальной формы. Резонансные инверторы. Достоинства и недостатки. Условия получения формы тока ключей близкой к синусоидальной. Внешние характеристики. Регулирование выходного напряжения. Инверторы
модуляционного типа. Способы модуляции. Формирование низкочастотной огибающей выходного напряжения заданной формы. Системы управления инверторов.
Перечень лабораторных работ по разделу:
1. Исследование двухтактного инвертора с синусоидальным выходным напряжением.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов (СРС)
6.1 Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую СРС и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
4
Текущая СРСнаправлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:
 работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных
источников информации по индивидуально заданной проблеме дисциплины;
 выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
 опережающая самостоятельная работа;
 изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 подготовка к лабораторным работам, к практическим занятиям;
 подготовка к контрольным работам;
 подготовка к защите индивидуальных домашних заданий;
 подготовка к зачету.
Творческая самостоятельная работа включает:
 анализ индивидуального домашнего задания;
 поиск, анализ и презентация информации;
 выполнение расчетно-графической работы;
 формулирование выводов о проделанной работе.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим
образом:
 самоконтроль;
 контроль со стороны преподавателя.
Контроль самостоятельной работы студентов осуществляется посредством
презентации результатов выполнения домашних контрольных и опережающих заданий, получения допуска к выполнению лабораторных работ, защиты индивидуальных домашних заданий и отчетов по выполненным лабораторным работам, подготовки ответов на контрольные вопросы к лабораторным работам. Наряду с контролем СРС со стороны преподавателя предполагается личный самоконтроль по
выполнению СРС со стороны студентов.
7. Средства текущей и промежуточной оценки
качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих
контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Выполнение и защита лабораторных работ
Выполнение и защита КП
Выполнение контрольных работ
Экзамен, диф.зачет
Результаты обучения
по дисциплине
РД1, РД2, РД3
РД1, РД3
РД1, РД2, РД3
РД1, РД2, РД3
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):
Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам:
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Исследование преобразователя постоянного напряжения понижающего типа (ППН)
 Приведите способы ограничения импульсного тока через транзистор протекающего во время рассасывания заряда обратного вентиля.
 Где в схеме возникают сквозные токи, чем они определяются и как их можно
ограничить?
 Что произойдет в схеме, если две обмотки дросселя включить не согласно,
как на рис.1, а встречно?
 Зависит ли γ кр от Rн и если зависит то, каким образом?
 Объяснить наличие затухающих колебаний на осциллограммах в режиме
прерывистого тока;
 В каком режиме (прерывистого или непрерывного тока дросселя) К.П.Д
схемы выше?
 Что происходит в схеме при обрыве диода VD0?
 Что такое нелинейность дросселя и как она влияет на амплитуду пульсаций
выходного напряжения при изменении нагрузки?
 Предложите способы снижения динамических потерь в транзисторе.
 Получить зависимость KU  f γ, n  при непрерывном токе дросселя, если
катод диода присоединен к точкам 2-3 обмоток L1 ( n  W14 W34 ).
 Получить зависимость KU  f γ, n  при непрерывном токе дросселя, если
коллектор транзистора присоединен к точкам 2-3 обмоток L1
( n  W14 W34 ).
 Как изменится зависимость KU  f γ  , если учитывать потери в элементах
преобразователя?
Примеры тем курсовых проектов
1. Источник питания
10%
Входная сеть – 220 В, 50 Гц -15% ;
Выходные напряжения, токи – 1)  5  0.5 В - 10А , 2) 100  1 В – 2 А
3) 600  5 В – 1А
2. Источник питания
10%
Входная сеть - 3  380 В, 50 Гц -15% ;
Выходные напряжения, токи – 1000  20 В – 25 А
3. Источник питания
10%
Входная сеть - 3  380 В, 50 Гц -15% ;
Выходные напряжения, токи – 100  2 В – 50 А
4. Источник питания твердотельного лазера
10%
Входная сеть - 220 В, 50 Гц -15% ;
Выходное напряжение – 3 В  0.1 В
Ток нагрузки – 100 А.
6
5. Источник питания электродвигателя привода со следующими параметрами:
Выходное напряжение- 200 В;
Ток нагрузки –25 А;
Частота выходного напряжения – 1 кГц;
10%
Входная сеть - 220 В, 50 Гц -15%
Примеры заданий для контрольных работ
Контрольная работа №1
Вариант №1
1. Назовите основные параметры и компоненты выпрямителей. Приведите базовые
схемы неуправляемых выпрямителей и поясните их сравнительные отличия (коэффициент передачи, пульсация выходного напряжения, максимальное обратное
напряжение на вентиле).
2. Нарисуйте диаграмму тока дросселя и переменной составляющей выходного
напряжения для трехфазного управляемого выпрямителя (несимметричная схема) при работе на Г-образный LC-фильтр.
Вариант №2
1. Приведите схему и диаграмму работы трехфазного мостового управляемого
выпрямителя. Поясните его работу на Г-образный LC-фильтр (симметричная
схема). Выведите выражение для регулировочной характеристики.
2. Получить выражение для критической индуктивности и коэффициента пульсаций двухполупериодного однофазного выпрямителя работающего на Гобразный LC-фильтр.
Вариант №3
1. Объясните работу базовых схем однофазных выпрямителей на Г-образный LCфильтр (на примере двухполупериодной мостовой). Приведите диаграммы работы и выражения (с выводом) для коэффициента передачи и коэффициента
мощности.
2. Вывести коэффициент передачи трехфазного неуправляемого выпрямителя (мостовая схема).
Вариант №4
1. Приведите схему и объясните работу однополупериодного однофазного управляемого выпрямителя при наличии и отсутствии нулевого вентиля. Приведите
диаграммы токов и напряжений при работе на Г-образный LC-фильтр.
Вывести выражение для регулировочной характеристики трехфазного мостового
управляемого выпрямителя (симметричная схема).
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Положением о проведении
текущего оценивания и промежуточной аттестации в ТПУ» в действующей редакции.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
7
 текущая аттестация (оценка усвоения теоретического материала (ответы на
вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий и др.) производится в течение семестра (оценивается в
баллах – максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент
должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен) производится в конце семестра (оценивается в баллах – максимально 40 баллов), на экзамене студент должен
набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта»:
 текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к
моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
 промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце
семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций.
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1 Основная литература
Мелешин, В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера,
2005. - 632 с.: ил.
Зиновьев, Г.С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров/Г.С. Зиновьев; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ). —
5-е изд., испр. и доп. — Москва: Юрайт, 2012. — 667 с.: ил.
Розанов, Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В.
Рябчицкий, А. А. Кваснюк. — 2-е изд., стер. — Москва: Издательский дом
МЭИ, 2009. — 632 с.: ил.
Системы управления полупроводниковыми преобразователями / А. Г. Иванов,
Г. А. Белов, А. Г. Сергеев; Чувашский государственный университет (ЧГУ). —
Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 2010. — 448 с.: ил.
9.2. Дополнительная литература
Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА /
А. Г. Поликарпов, Е. Ф. Сергиенко. — Москва: Радио и связь, 1989. — 160 с.:
ил.
Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 376 с.: ил.
Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для
систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Л.Е. Смольникова. –
М.: Энергоатомиздат, 1988. – 294 с.: ил.
Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения / Г. А. Белов. — Москва: Энергоатомиздат, 1987. — 120
с.: ил.
8
5.
6.
5.
6.
7.
Багинский Б.А. Бестрансформаторные преобразователи переменного напряжения в постоянное. – Томск: Изд-во Том.ун-та, 1990. – 224 с.
Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные
транзисторные преобразователи. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.: ил.
Полупроводниковые выпрямители / Е. И. Беркович, В. Н. Ковалев, Ф. И. Ковалев и др.; Под ред. Ф. И. Ковалева, Г. П. Мостковой. — 2-е изд., перераб.. —
Москва: Энергия, 1978. — 448 с.
Уильямс Б. Силовая электроника: приборы применение, управления. Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.: ил.
Бальян Р.Х., Сиверс М.А. Тиристорные генераторы и инверторы. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. от-ние, 1982. – 223 с., ил.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекции читаются с использованием мультимедийного оборудования. Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники ИНК – ауд. №241 корпуса 16В ТПУ общей
площадью 25 кв. м. Помещение оборудовано 8-ю рабочими местами, в состав каждого из которых входит:
№
п/п
1.
2.
3.
4.
Наименование
(компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование)
Специализированный стенд
Осциллограф GDS-71022
Универсальный цифровой вольтметр В7-38
Наборы соединительных проводников и модулей с
расположенными на них электронными компонентами
Корпус, ауд., количество установок
1
1
1
1(на каждую работу)
Программа составлена на основе СУОС ТПУ в соответствии с требованиями
ФГОС по направлению подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» и
профилю «Промышленная электроника».
Программа одобрена на заседании кафедры промышленной и медицинской
электроники
Института
неразрушающего
контроля
(протокол № 12.15 от « 19 » 06 2015 г.).
Автор
доцент кафедры ПМЭ ИНК Буркин Е.Ю.
Рецензент ассист. каф. ПМЭ ИНК Кожемяк О.А.
9
10