1. Цели освоения дисциплины
Целью учебной дисциплины является:
в области обучения – формирование специальных знаний, умений, навыков расчета и проектирования, а также компетенций в сфере современных высокоэффективных устройств энергетической электроники;
в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального, 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 базовой части профессионального цикла дисциплин. Пререквизитом данной дисциплины является Б3.Б8 «Схемотехника», которая преподается в предыдущем семестре. Предварительно должны быть обязательно изучены такие дисциплины как Б3.В3.1 «Теоретические основы электротехники», Б2.В4.1 «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника». Параллельно может изучаться дисциплина Б3.В1 «Цифровые устройства».
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен будет:
знать
- принцип действия и характеристики базовых схем выпрямителей, преобразователей постоянного напряжения и инверторов; работу, способы управления и защиты современных эффективных источников питания электрофизической аппаратуры; методы расчета преобразовательных устройств; физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия устройств энергетической электроники.
уметь
- проводить анализ и расчет схем импульсных источников питания; использовать методы математического и топологического проектирования преобразовательных устройств; обоснованно выбирать элементы схем источников питания;
владеть методами (приёмами)
- анализа статических и переходных режимов устройств силовой электроники; расчета (проектирования) базовых схем преобразовательных устройств; практической работы с современными аппаратными средствами исследования работы источников питания; экспериментального исследования характеристик современных устройств энергетической электроники.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные) -
способность стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);
способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10).
2. Профессиональные -
способность владеть методами решения задач, анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);
способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
готовность выполнять расчет и проектирование деталей, компонентов и узлов источников питания в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);
способность выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений (ПК-19).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины:
Введение
Назначение дисциплины и ее место в общепрофессиональной подготовке дипломированного специалиста в области электроники. Особенности преобразователей электрической энергии большой мощности, принципы и особенности эксплуатации преобразователей электрической энергии.
Раздел 1. Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители), вентильный преобразователь как элемент системы автоматического управления
Однофазные выпрямители. Трехфазные выпрямители. Умножители напряжения. Управляемые выпрямители, принцип импульсно-фазового управления, регулировочные характеристики. Сглаживающие фильтры. Корректоры коэффициента мощности. Управление и защита выпрямительных устройств.
Практические занятия
1. Расчет защитных цепей силовых преобразователей. Датчики тока. Трансформаторы тока. Расчет трансформатора тока.
2. Тепловые режимы силовых преобразователей. Тепловой расчет.
3. Расчет однофазного выпрямителя с выходным Г–образным LC – фильтром.
4. Расчет трехфазного управляемого выпрямителя с выходным Г–образным LC – фильтром.
Лабораторные работы
Лабораторная №1. Исследование однополупериодных выпрямителей и умножителей напряжения.
Лабораторная №2. Исследование однофазных двухполупериодных выпрямителей.
Лабораторная №3. Исследование трехфазных выпрямителей.
Лабораторная №4. Исследование управляемого выпрямителя.
Раздел 2. Преобразователи постоянного напряжения и тока
Параметрические стабилизаторы и источники опорных напряжений. Стабилизаторы напряжения и тока с непрерывным регулированием. Импульсные преобразователи постоянного напряжения понижающего, повышающего и инвертирующего типа. Каскадные и реверсивные преобразователи постоянного напряжения и тока. Системы управления и защиты импульсных стабилизаторов.
Практические занятия
Расчет импульсного стабилизатора с гальванической развязкой выходного напряжения. Расчет системы управления преобразователем постоянного напряжения.Лабораторные работы
Лабораторная №5. Исследование импульсного преобразователя напряжения понижающего типа.
Лабораторная №6. Исследование импульсных преобразователей напряжения инвертирующего и повышающего типов.
Лабораторная №7. Исследование импульсного преобразователя напряжения понижающего типа с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения.
Раздел 3. Преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы)
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.
Практические занятия
Расчет однофазного инвертора с ШИМ. Расчет резонансного инвертора и инвертора с самовозбуждением.Лабораторные работы
Лабораторная №8. Исследование двухтактного инвертора с синусоидальным выходным напряжением.
4.2 В таблице 1 приведена структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности с указанием временного ресурса в часах.
Таблица 1.
Структура дисциплины
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Колл, Контр. Р. | Итого | ||
Лекции | Практ./сем. Занятия | Лаб. зан. | ||||
Введение | 2 | 2 | входн. контр. | 4 | ||
1. Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители), вентильный преобразователь как элемент системы автоматического управления | 16 | 8 | 16 | 36 | КР.1 | 76 |
2. Преобразователи постоянного напряжения и тока | 16 | 8 | 12 | 36 | КР.2 | 72 |
3. Преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы) | 14 | 8 | 8 | 34 | 64 | |
Итого | 48 | 24 | 36 | 108 | 216 |
5. Образовательные технологии
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (см. табл. 2).
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ Сем., | Тр*., Мк** | СРС | КП |
IT-методы | ✓ | |||||
Работа в команде | ✓ | |||||
Case-study | ✓ | ✓ | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения | ✓ | |||||
Обучение на основе опыта | ✓ | |||||
Опережающая самостоятельная работа | ✓ | ✓ | ||||
Проектный метод | ✓ | |||||
Поисковый метод | ✓ | ✓ | ||||
Исследовательский метод | ✓ | |||||
Междисциплинарное обучение | ✓ |
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Приводится характеристика всех видов и форм самостоятельной работы студентов, включая текущую и творческую/исследовательскую деятельность студентов:
6.1 Текущая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний
студента, развитие практических умений:
- работа с лекционным материалом; подготовка к лабораторным и практическим занятиям; обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса (рекомендуется в случае недостаточного усвоения материала, а также студентам, пропустившим аудиторные занятия по какой-либо теме); опережающая самостоятельная работа; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку (используется для тем, не вошедших из-за недостатка времени в лекционный курс, но имеющих непосредственное отношение к данной дисциплине); подготовка к контрольным работам, экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР):
- поиск, анализ, структурирование информации, выполнение курсового проекта.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
1. Тематика курсовых проектов.
Согласно программе основная задача студентов на самостоятельную работу – выполнение курсового проекта. В процессе проектирования студенту необходимо на основе анализа технического задания и обзора литературы отобрать или синтезировать ряд (3 – 5) структурных схем, позволяющих реализовать поставленное перед ним задание. Далее из выбранных структурных схем одна реализуется в виде принципиальной схемы, содержащей силовую часть и систему управления. На основании принципиальной схемы и задания производиться расчет и выбор всех элементов принципиальной схемы. Типичная структура курсового проекта состоит из следующих частей:
- техническое задание анализ технического задания и обзор литературы по данной теме выбор и обоснование структурной схемы выбор принципиальной схемы расчет элементов принципиальной схемы приложение (минимально необходимые справочные данные и чертеж принципиальной схемы) список литературы содержание.
Общий объем курсового проекта составляет 30 – 50 стр.
Темы курсовых проектов.
Общим для всех проектов являются следующие данные.
1. Характер нагрузки по умолчанию – активная.
2. Требуется гальваническая развязка выходных цепей на уровне 1000 В действующего значения.
3. Климатическое исполнение – УХЛ, максимальная температура окружающей среды – 35град. С, нормальное атмосферное давление – 760 мм. рт. ст., влажность – 75%.
4. По умолчанию нет режима короткого замыкания, но возможен режим холостого хода.
5. Необходимо обеспечить входные защитные и фильтрующие цепи.
6. Необходимо обеспечить индикацию выходных величин и индикацию о срабатывании защит.
7. Необходимо обеспечить защиту силового ключа от превышения тока и перегрева.
№ | Входное напряжение | Выходное напряжение, ток | Доп. параметры |
1 |
| 50 | |
2 |
| 24 | |
3 |
| 600 | |
4 |
| 1000 | Стабилизация средневыпрямленного значения. Коэфф. заполнения в номинальном режиме – 0.7 |
5 |
| 250 | |
6 |
| 400 | |
7 |
|
| |
8 |
|
| |
9 |
| 1000 | |
10 |
| 8 В |
0.5 В, 50 А
0.5 В, 30 А
5 В, 10А
5 В, 5А, 40 кГц
5 В, 40А
10 В, 60А
, 10А
20 В, 25 А
0.1 В, 300А2. Темы работ в структуре междисциплинарных проектов.
Все темы курсовых проектов являются междисциплинарными и охватывают содержание таких дисциплин как «Схемотехника», «Цифровые устройства».
3. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
- Инверторы с самовозбуждением. Трехфазные инверторы.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. В частности, предусмотрена процедура защиты лабораторных работ, курсового проекта.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Указываются образовательные ресурсы, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе студентов, том числе программное обеспечение, Internet - и Intranet-ресурсы (электронные учебники, компьютерные модели и др.), учебные и методические пособия, справочники, задачники и др.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
ПримерЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ
Билет №1
Назовите основные параметры и компоненты выпрямителей. Приведите базовые схемы однофазных выпрямителей и поясните их работу. Выведите зависимость коэффициента передачи для понижающего преобразователя постоянного напряжения.Билет №2
Приведите базовые схемы трехфазных выпрямителей и поясните их работу. Выведите зависимость коэффициента передачи для повышающего преобразователя постоянного напряжения.Вопросы к государственному экзамену
по дисциплине "Энергетическая электроника"
Приведите базовые схемы однофазных выпрямителей, диаграммы работы на активную и активно-индуктивную нагрузку. Выведите выражения для коэффициента передачи. Поясните принцип действия. Поясните работу базовых схем выпрямителей на Г-образный LC-фильтр. Получите выражение для критической индуктивности и коэффициента пульсаций для схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя. Поясните особенности работы трансформатора в схемах выпрямителей. Что такое коэффициент расчетной мощности трансформатора и для чего он нужен? Рассчитайте коэффициент расчетной мощности трансформатора для схем однофазных двухполупериодных выпрямителей (мостовой и со средней точкой трансформатора) при работе на активно-индуктивную нагрузку, если величина индуктивности стремиться к бесконечности (большая индуктивность). Приведите схему двухполупериодного однофазного управляемого выпрямителя, диаграммы токов и напряжений всех силовых элементов при одностороннем регулировании (LC – фильтр). Поясните работу схемы и получите выражение для регулировочной характеристики. Приведите схему и диаграммы работы трехфазного управляемого выпрямителя (мостовая симметричная схема). Опишите работу схемы и получите выражение для регулировочной характеристики. Приведите схему и диаграммы работы трехфазного управляемого выпрямителя (мостовая несимметричная схема). Опишите работу схемы и получите выражение для регулировочной характеристики. Приведите схему и диаграммы работы трехфазного управляемого выпрямителя (нулевая схема, LC – фильтр). Опишите работу схемы и получите выражение для регулировочной характеристики. Расскажите о понижающем преобразователе постоянного напряжения. Приведите схему, описание работы, диаграммы для режима непрерывного и прерывистого тока дросселя. Получите выражение для коэффициента передачи и
в режиме непрерывного тока дросселя. Расскажите о повышающем преобразователе постоянного напряжения. Приведите схему, описание работы, диаграммы для режима непрерывного и прерывистого тока дросселя. Получите выражение для коэффициента передачи и 
в режиме непрерывного тока дросселя. Расскажите об инвертирующем преобразователе постоянного напряжения. Приведите схему, описание работы, диаграммы для режима непрерывного и прерывистого тока дросселя. Получите выражение для коэффициента передачи и 
в режиме непрерывного тока дросселя. Расскажите об обеспечении гальванической развязки выходного напряжения в преобразователях постоянного напряжения. Приведите варианты схем однотактных преобразователей постоянного напряжения и поясните принцип их действия. Расскажите о каскадных преобразователях постоянного напряжения. Приведите варианты схем, основные особенности. Расскажите о схеме Кука. Расскажите о преобразователях постоянного напряжения с отводом силового дросселя. Нарисуйте шесть основных вариантов схем и на примере одной из них поясните принцип действия. Приведите диаграммы тока и напряжения на основных элементах. Выведите коэффициент передачи. Нарисовать и пояснить структурную схему системы управления преобразователем постоянного напряжения на основе ШИМ. Пояснить с помощью диаграмм принцип стабилизации выходного напряжения. Привести основные соотношения для расчета системы обратной связи на основе ШИМ по выходному напряжению. Приведите базовые схемы инверторов. Опишите их работу и нарисуйте основные диаграммы. Поясните достоинства и недостатки. Поясните работу инвертора на активно-индуктивную нагрузку, выведите основные соотношения для тока нагрузки. Расскажите о трехфазных инверторах напряжения. Приведите схему и диаграммы работы мостового инвертора напряжения. Расскажите о резонансных инверторах напряжения и тока. Приведите пример схемы, диаграммы работы и поясните принцип действия. Расскажите об основных способах формирования выходного напряжения на основе ШИМ и АИМ. Поясните основной принцип формирования выходного напряжения. Расскажите об инверторах с самовозбуждением на примере схем генераторов Ройера и Йенсена. 8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Качество освоения дисциплины оценивается согласно кредитно-рейтинговой системе организации учебного процесса в Институте неразрушающего контроля.
В течение семестра предусмотрены две конференц-недели (на 9 и 18 неделях). Первая конференц-неделя нацелена на развитие коммуникативной составляющей общекультурных компетенций, вторая – призвана подвести итоги по данной дисциплине в семестре (отчетная, контролирующая функции).
Рейтинг-план рассчитывается из 100 баллов на текущую успеваемость: 60 баллов выделяется на выполнение обязательных видов занятий (лабораторные работы, практические занятия); 40 баллов – на рубежный контроль (контрольные работы). Студент, выполнивший и защитивший курсовой проект, выполнивший обязательные пункты рейтинг-плана и набравший по итогам текущей успеваемости не менее 51 балла, допускается к экзамену.
Промежуточная аттестация (в конце семестра) предусматривает экзамен. Экзаменационный билет включает два теоретических вопроса. Оценка по результатам экзамена выставляется по 100-балльной и по 5-балльной системе.
Рейтинг-план дисциплины приведен в отдельном файле.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная
1. Стабилизированные транзисторные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 376 с.: ил.
2. Бестрансформаторные преобразователи переменного напряжения в постоянное. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. – 224 с.
3. , , Основы преобразовательной техники. Учебн. Пособие для специальности "Промышленная электроника" М., "Высш. школа", 1974. – 430 с. с ил.
4. , , Высокочастотные транзисторные преобразователи. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.: ил.
5. роектирование ключевых источников электропитания/ Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 240 с.
Дополнительная
6. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник/, , и др.: Под ред. . – М.: Радио и связь, 1994. – 280 с.: ил.
7. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА. – М.: Радио и связь, 1981. – 96 с., ил.
8. мпульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 294 с.: ил.
9. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. – М.:Энергоатомиздат, 1987. – 184 с.: ил.
10. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л., "Энергия", 1973.
11. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. – М.: Радио и связь, 1992. – 224 с.: ил.
12. , Промышленная электроника: Учебник для вузов, Под ред. . – М.:Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.: ил.
13. Полупровдниковые импульсные преобразователи постоянного напряжения: Учебн. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1994. 96 с.
14. иловая электроника: приборы применение, управления. Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.: ил.
15. , Тиристорные генераторы и инверторы. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. от-ние, 1982. – 223 с., ил.
- программное обеспечение и Internet-ресурсы:
Специализированное программное обеспечение не требуется.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория преобразовательной техники (ауд. № 000, корпус 16-в ТПУ):
Осциллограф GDS-72022 – 8 шт. Вольтметр В7-38 – 8 шт. Специализированный стенд с монтажной панелью, источниками питания и набором компонентов – 8 шт.Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки 210100 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.
Программа одобрена на заседании
кафедры промышленной и медицинской электроники
Института неразрушающего контроля
(протокол № 14.11 от «25» августа 2011 г.).
Автор:
Рецензент(ы)
