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 | Код | Владение | |
ПК-1, ОПК-3, ОК-7 | - | - | - | - | В.2.2 | Использования типовых пакетов прикладных программ, применяемых при проектировании аппаратов, приборов и электронных систем различного назначения. |
ПК-1, ОПК-3, ОК-7 | - | - | У.4.1 | Проводить анализ и расчет линейных цепей переменного тока, анализ и расчет электрических цепей с нелинейными элементами. | - | - |
ПК-1, ОПК-3, ОК-7 | З.5.3 | Теоретические основы электротехники, методы составления и исследования уравнений, описывающих электромагнитные процессы в электронных устройствах различного назначения. | - | - | - | - |
ПК-1, ОПК-3, ОК-7 | - | - | - | - | 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 | Результат |
РД1 | Применять знание основных схем силовой электроники. |
РД2 | Выполнять расчеты основных узлов устройств преобразовательной техники. |
РД3 | 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. Однофазные 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.
Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов (СРС)
Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую СРС и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
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.
Средства текущей и промежуточной оценки
качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
Выполнение и защита лабораторных работ | РД1, РД2, РД3 |
Выполнение и защита КП | РД1, РД3 |
Выполнение контрольных работ | РД1, РД2, РД3 |
Экзамен, диф. зачет | РД1, РД2, РД3 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):
Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам:
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
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 
при непрерывном токе дросселя, если катод диода присоединен к точкам 2-3 обмоток L1 (
). Получить зависимость 
при непрерывном токе дросселя, если коллектор транзистора присоединен к точкам 2-3 обмоток L1 (
). Как изменится зависимость 
, если учитывать потери в элементах преобразователя? Примеры тем курсовых проектов
1. Источник питания
Входная сеть – 
;
Выходные напряжения, токи – 1) 
, 2) 100 
1 В – 2 А
3) 600 
5 В – 1А
2. Источник питания
Входная сеть - 
;
Выходные напряжения, токи – 1000 
20 В – 25 А
3. Источник питания
Входная сеть - 
;
Выходные напряжения, токи – 100 
2 В – 50 А
4. Источник питания твердотельного лазера
Входная сеть - 
;
Выходное напряжение – 3 В
0.1 В
Ток нагрузки – 100 А.
5. Источник питания электродвигателя привода со следующими параметрами:
Выходное напряжение - 200 В;
Ток нагрузки –25 А;
Частота выходного напряжения – 1 кГц;
Входная сеть - 
Примеры заданий для контрольных работ
Контрольная работа №1
Вариант №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). Нарисуйте диаграмму тока дросселя и переменной составляющей выходного напряжения для трехфазного управляемого выпрямителя (несимметричная схема) при работе на Г-образный LC-фильтр.Вариант №2
Приведите схему и диаграмму работы трехфазного мостового управляемого выпрямителя. Поясните его работу на Г-образный LC-фильтр (симметричная схема). Выведите выражение для регулировочной характеристики. Получить выражение для критической индуктивности и коэффициента пульсаций двухполупериодного однофазного выпрямителя работающего на Г-образный LC-фильтр.Вариант №3
Объясните работу базовых схем однофазных выпрямителей на Г-образный LC-фильтр (на примере двухполупериодной мостовой). Приведите диаграммы работы и выражения (с выводом) для коэффициента передачи и коэффициента мощности. Вывести коэффициент передачи трехфазного неуправляемого выпрямителя (мостовая схема).Вариант №4
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»:
- 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.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1 Основная литература
Мелешин, преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. - 632 с.: ил. Зиновьев, электроника: учебное пособие для бакалавров/; Новосибирский государственный технический университет (НГТУ). — 5-е изд., испр. и доп. — Москва: Юрайт, 2012. — 667 с.: ил. Розанов, электроника: учебник для вузов / , , . — 2-е изд., стер. — Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. — 632 с.: ил. Системы управления полупроводниковыми преобразователями / , , ; Чувашский государственный университет (ЧГУ). — Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 2010. — 448 с.: ил.9.2. Дополнительная литература
Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА / , . — Москва: Радио и связь, 1989. — 160 с.: ил. Стабилизированные транзисторные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 376 с.: ил. мпульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 294 с.: ил. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения / . — Москва: Энергоатомиздат, 1987. — 120 с.: ил. Бестрансформаторные преобразователи переменного напряжения в постоянное. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. – 224 с. , , Высокочастотные транзисторные преобразователи. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.: ил. Полупроводниковые выпрямители / , , и др.; Под ред. , . — 2-е изд., перераб.. — Москва: Энергия, 1978. — 448 с. иловая электроника: приборы применение, управления. Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.: ил. , 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. № 000 корпуса 16В ТПУ общей площадью 25 кв. м. Помещение оборудовано 8-ю рабочими местами, в состав каждого из которых входит:
№ п/п | Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование) | Корпус, ауд., количество установок |
1. | Специализированный стенд | 1 |
2. | Осциллограф GDS-71022 | 1 |
3. | Универсальный цифровой вольтметр В7-38 | 1 |
4. | Наборы соединительных проводников и модулей с расположенными на них электронными компонентами | 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 |
Рецензент | ассист. каф. ПМЭ ИНК |
