Директор института ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
210100 ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Промышленная электроника
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 4 СЕМЕСТР 8
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 8
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б3.В3.3, Б3.В4
КОРЕКВИЗИТЫ нет
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 48 час.
Практические занятия 24 час.
Лабораторные занятия 36 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 108 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 108 час.
ИТОГО 216 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра промышленной и
медицинской электроники Института неразрушающего контроля
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ_____________()
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________ ()
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________ ()
2011г.
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.В3.3 «Электроника» и Б3.В4 «Основы преобразовательной техники», которые преподаются в предыдущем семестре. Предварительно должны быть обязательно изучены такие дисциплины как Б3.В3.1«Теоретические основы электротехники», Б2.В4.2«Физические основы электронной техники». 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.
4.2В 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. Организацияиучебно-методическоеобеспечениесамостоятельнойработыстудентов
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 «Электроника», «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 
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 
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
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.Дополнительная
- 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):
