KARTA PRZEDMIOTU 1. Nazwa przedmiotu: Elektronika Mocy 2

KARTA PRZEDMIOTU
(pieczęć wydziału)
1. Nazwa przedmiotu: Elektronika Mocy
2. Kod przedmiotu: EM
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2016
4. Forma kształcenia: studia drugiego stopnia - magisterskie
5. Forma studiów: studia stacjonarne
6. Kierunek studiów: ELEKTRONIKA I TELEKOMUNIKACJA; WYDZIAŁ AEII
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność: Aparatura Elektroniczna
9. Semestr: 2
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Instytut Elektroniki, RAu3
11. Prowadzący przedmiot: dr hab. inż. Zbigniew Rymarski
12. Przynależność do grupy przedmiotów: przedmioty wspólne
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: polski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: Elektrotechnika, Elementy Elektroniczne,
Układy Elektroniczne, Projektowanie Układów Analogowych, Projektowanie Układów Cyfrowych,
Mikroprocesory, Podstawy Automatyki. Zakłada się, że przed rozpoczęciem nauki niniejszego przedmiotu
student posiada przygotowanie w zakresie elektrotechniki, elementów elektronicznych, ich charakterystyk i
zakresów zastosowań. Zakłada się, że student potrafi projektować podstawowe układy analogowe i cyfrowe,
także z zastosowaniem układów mikroprocesorowych. Zakłada się znajomość pojęcia modelu układu
dynamicznego w postaci równań stanu, transmitancji, odpowiedzi impulsowych i skokowych oraz
charakterystyk częstotliwościowych podstawowych układów dynamicznych. Zakłada się posiadanie przez
studenta podstawowych wiadomości w zakresie projektowania układów regulacji ciągłych i dyskretnych
(podstawowe regulatory ciągłe i dyskretne, metody lokowania biegunów funkcji przejścia układu zamkniętego).
16. Cel przedmiotu: Celem wykładu jest przekazanie studentom wiedzy o wymaganiach dotyczących
układów zasilających małej i średniej mocy napięcia stałego i zmiennego (o wyjściowej mocy pozornej< 3
kVA) w oparciu o obowiązujące normy, przedstawienie ich podstawowych parametrów, przedstawienie
normatywnych wymagań dotyczących dostawcy energii elektrycznej i dotyczących jej odbiorców, problematykę
mocy w układach z niesinusoidalnym poborem prądu, omówienie materiałów magnetycznych
wykorzystywanych w układach elektroniki mocy łącznie z projektowaniem obwodów magnetycznych,
przedstawienie charakterystyk typowych elementów przełączających stosowanych w tych urządzeniach,
przekazanie wiedzy o budowie i metodach projektowania impulsowych przetwornic napięcia DC/DC oraz
budowie i metodach projektowania impulsowych przetwornic napięcia DC/AC (falowników) stosowanych w
systemach gwarantowanego zasilania, omówienie problematyki dyskretnego sterowania w przetwornicach
DC/DC i DC/AC, przedstawienie architektury i właściwości podstawowych sieci impedancyjnych i metod ich
projektowania, omówienie układów korekcji współczynnika mocy i aktywnych filtrów mocy.
17. Efekty kształcenia:1
Nr
W1
W2
W3
1
Opis efektu kształcenia
Zna wymagania dotyczące układów zasilających małej i
średniej mocy stosowanych w oparciu o obowiązujące
normy i definicje ich podstawowych parametrów
Zna stosowane w przetwornicach materiały magnetyczne i
ich parametry
Zna charakterystyki elementów elektronicznych
przełączających stosowanych w układach zasilających
należy wskazać ok. 5 – 8 efektów kształcenia
Metoda
sprawdzenia
efektu
kształcenia
Forma
Odniesienie
prowadzenia do efektów
zajęć
dla kierunku
studiów
Dyskusja na
wykładzie
W
K2A_W07
Dyskusja na
wykładzie
Dyskusja na
wykładzie
W
K2A_W07
W
K2A_W07
małej i średniej mocy
W3
W4
W5
U1
U2
U3
U4
Zna zasady budowy i działania przetwornic napięcia
DC/DC
Zna zasady budowy i działania falowników napięcia
(przetwornic napięcia DC/AC) stosowanych w systemach
gwarantowanego zasilania małej i średniej mocy
Zna zasady działania układów korekcji współczynnika
mocy i aktywnych filtrów mocy
Potrafi zaprojektować zasilacz impulsowy napięcia DC/DC
Potrafi zaprojektować falownik napięcia (przetwornicę
DC/AC) małej i średniej mocy
Potrafi podłączyć sieć impedancyjną do falownika napięcia
i sterować nią
Potrafi dobrać parametry regulatora do falownika napięcia
Kartkówka
W
K2A_W07
Kartkówka
W
K2A_W07
Kartkówka
W
K2A_W07
Dyskusja na
wykładzie
Sprawozdanie
W
K2A_U06
L
K2A_U06
Sprawozdanie
L
K2A_U06
Sprawozdanie
L
K2A_U06
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
W. : 15, L. 15
19. Treści kształcenia:
Wykład, 15 godzin.
Wykład 1
4 grupy przekształtników napięcia. Podstawowe parametry zasilaczy stałonapięciowych.
Parametry stabilizatora napięcia stałego jako źródła napięcia stałego. Podstawowe parametry
zasilaczy napięcia zmiennego. Klasyfikacja i definicje obciążeń zasilaczy napięcia zmiennego.
Typowe normatywne obciążenia zasilaczy AC w systemach UPS. Podstawowe typy systemów
UPS: VSI, VI i VFD. Wstęp do analizy układów z przebiegami niesinusoidalnymi.
Wykład 2
Analiza obwodów magnetycznych. Transformatory sieciowe. Materiały magnetyczne stosowane
w obwodach magnetycznych przetwornic napięcia i charakterystyka ich własności.
Projektowanie transformatorów i dławików. Kondensatory stosowane w przetwornicach napięcia
i ich najbardziej pożądane własności.
Wykład 3
Rodziny półprzewodnikowych przyrządów mocy w układach energoelektronicznych.
Podstawowe parametry przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy. Typy i parametry diod
mocy. Typy sterowalnych przyrządów półprzewodnikowych. Tranzystory MOS mocy –
VDMOS. Sterowanie tranzystorów MOS mocy. Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT. Sterowanie tranzystorów IGBT. Porównanie parametrów elementów typu MOS w
różnych technologiach – Si, SiC i GaN. Elementy przełączające wielkiej mocy GTO. Krótkie
omówienie pozostałych, niszowych elementów przełączających.
Wykład 4
Omówienie przetwornic napięcia DC/DC, w których przepływ energii jest jednokierunkowy,
napięcia mają stałą biegunowość, a prądy są jednokierunkowe. Ogólne zasady obliczeń
przetwornic DC/DC w stanie ustalonym. Przetwornice DC/DC bez izolacji galwanicznej typu
„buck” obniżająca napięcie, „boost” podwyższająca napięcie i „buck-boost” odwracjaąca
napięcie – ich odmiany i tryby pracy z ciągłym i nieciągłym przepływem prądu przez dławik.
Przetwornica DC/DC SEPIC i przetwornica Cuka. Przetwornice z izolacją galwaniczną: Forward
i Flyback. Małosygnałowe schematy zastępcze przetwornic DC/DC.
Wykład 5
Podział inwerterów napięcia i charakteryzujących ich pracę parametrów. Proste jednofazowe,
trójpulsowe inwertery napięcia. Metody optymalizacyjne modulacji przebiegu impulsowego techniki optymalizacji kątów przełączeń. Dwu- i trzypoziomowa modulacja PWM. Trzy
schematy trzypoziomowej modulacji PWM. Naturalna i regularna modulacja PWM jedno- i
dwuzboczowa. Podstawowa postać regularnej symetrycznej 3-poziomowej PWM. Technika
eliminacji harmonicznych. Widmo niefiltrowanego sygnału PWM ze stałą częstotliwością
sygnału modulowanego. Sygnał PWM z uwzględnieniem czasu martwego. Projekt filtra
wyjściowego LFCF inwertera napięcia. Analiza zniekształceń napięcia wyjściowego inwertera z
obciążeniem prostownikowym z filtrem ROCO. Falowniki trójfazowe i ich sterowanie. Modulacja
SV PWM w dwupoziomowym falowniku. Wielopoziomowe falowniki.
Wykład 6
Ciągły model małosygnałowy falownika uzyskiwany z pomiarów charakterystyk
częstotliwościowych falownika. Dwa podejścia do uzyskania dyskretnego modelu falownika.
Dobór przykładowych układów regulacji (SISO i MISO) do falownika napięcia uwzględniający
rzeczywiste parametry falownika.
Podstawowe sieci impedancyjne – ich architektura, własności i sterowanie w układach jedno- i
trójfazowych. Projektowanie sieci Z-Source. Wpływ sieci na własności dołączonego falownika
napięcia.
Wykład 7
Kompensowanie mocy biernej przesunięcia i mocy biernej deformacji. Układy korekcji
współczynnika mocy (PFC).
Równoległe i szeregowe aktywne filtry mocy w układach jedno- i trójfazowych. Różne metody
ich sterowania.
Laboratorium 15 godzin
Własności statyczne i dynamiczne jednofazowych falowników napięcia przeznaczonych do
pracy w systemach UPS
Ćwiczenie laboratoryjne 1 - 4 godziny
Jednofazowy falownik napięcia przeznaczony do pracy w systemach UPS – modulacja,
przebiegi prądów i napięć, normatywne obciążenia
1. Zapoznanie się z budową modelu falownika
2. Projekt filtra wyjściowego dla zadanego nominalnego obciążenia; pomiar pojemności
kondensatora filtra oraz indukcyjności i zastępczej szeregowej rezystancji dławika filtra
falownika przyrządami laboratoryjnymi dla różnych częstotliwości (przy maksymalnym
dostępnym w przyrządzie napięciu)
3. Obserwacja pracy falownika z 3 podstawowymi schematami 3-poziomowej modulacji PWM;
obserwacja przebiegu napięć sterujących i napięcia wyjściowego, prądu dławika i prądu
wyjściowego dla jednego obciążenia liniowego statycznego. Wykorzystanie cyfrowego
oscyloskopu do zapamiętania przebiegów w postaci graficznej *.bmp
4. Pomiar współczynnika zniekształceń harmonicznych THDVOUT napięcia wyjściowego
falownika dla 3 schematu modulacji i dostępnych statycznych rezystancji obciążenia
5. Ocena przebiegu napięcia wyjściowego falownika przy skokowych obciążeniach i
odciążeniach dla obciążeń rezystancyjnych
6. Obliczanie i pomiary współczynnika mocy dla normatywnego nieliniowego obciążenia
prostownikowego RC
7. Symulacja w programie Matlab-Simulink obciążeń statycznych liniowych, dynamicznych
liniowych i statycznych nieliniowych
8. Pomiary falownika z transformatorem wyjściowym.
Ćwiczenie laboratoryjne 2 - 4 godziny
Podniesienie wejściowego napięcia stałego falownika – wykorzystanie sieci impedancyjnych
z nieciągłym prądem pobieranym ze źródła napięcia stałego (DIC – discontinuous input
current) oraz z ciągłym prądem pobieranym ze źródła napięcia stałego (CIC – continuous
input current)
1. Podstawowe obliczenia parametrów sieci Z-Source
2. Symulacja w programie Matlab/Simulink falownika z siecią Z-Source
3. Obserwacja przebiegów prądów i napięć w modelu eksperymentalnym Z-Source
4. Pomiary zależności współczynnika zniekształceń THDVOUT, zależności sprawności i
rzeczywistego wzmocnienia napięcia od czasu zwarciowego falownika z siecią impedancyjną w
układzie ZSI
5. Powtórzenie pomiarów z punktów L.2.3.c-h i L.2.4 dla sieci impedancyjnej qZ-Source
6. Pomiary sprawności i wzmocnienia napięcia dla układów CqZSI, SLZSI i LCCT-ZSI i
porównanie ich z układem qZSI.
Ćwiczenie laboratoryjne 3 - 4 godziny
Własności dynamiczne falowników napięcia. Pomiar charakterystyk częstotliwościowych
funkcji sterowania falownika napięcia i dobór układów regulacji
1. Skalowanie pomiarów napięcia i prądu wyjściowego falownika
2. Pomiary charakterystyk częstotliwościowych funkcji przejścia falownika
3. Symulacja pracy falownika z regulatorem PI-SISO
4. Symulacja pracy falownika z regulatorem deadbeat-MISO
5. Symulacja pracy falownika z regulatorem PBC-MISO
6. Implementacja regulatorów PI-SISO, deadbeat-MISO i PBC-MISO w modelu laboratoryjnym
i ocena ich efektywności dla standardowych obciążeń
7. Analiza wpływu wejściowej sieci impedancyjnej na charakterystyki częstotliwościowe
falownika
Ćwiczenie laboratoryjne 4 - 3 godziny
Metody sterowania trójfazowym falownikiem. Odrabianie zajęć.
20. Egzamin: nie.
21. Literatura podstawowa:
[1] H. Tunia, B. Winiarski: „Energoelektronika”, WNT, Warszawa, 1994.
[2] M. Nowak, R. Barlik: Poradnik inżyniera energoelektronika. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.
[3] Fang Lin Luo, Hong Ye, Muhammad Rashid: „Digital Power Electronics and Applications”, Esevier Academic Press
2005.
[4] N. Mohan „Power Electronics and drives” MNPERE, Minneapolis, USA, 2003.
[5] M. H.Rashid „Power Electronics Handbook” Academic Press 2001
[6] A. Napieralski, M. Napieralska “Polowe półprzewodnikowe przyrządy dużej mocy” Warszawa 1995
[7] Z. Nowacki : Modulacja szerokości impulsów w napędach przekształtnikowych prądu przemiennego. Państwowe
Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1991.
[8] Z. Rymarski: Monografia habilitacyjna. "Jednofazowe i trójfazowe inwertery napięcia stosowane w systemach UPS".
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010.
[9] Polska Norma PN-EN 62040-3:2005 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS) Część 3: Metody określenia
właściwości i wymagania dotyczące badań”. Sierpień 2005.
[10] Polska Norma PN-EN 62040-1:2006 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS) Część 1-1: Wymagania ogólne i
wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS stosowanych w miejscach dostępnych dla operatorów”. Wrzesień 2006.
[11] A. Kawamura, T. Yokoyama: Comparison of five different approaches for real time digital feedback control of PWM
inverters. The 1990 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1990, 7 - 12 October 1990, vol. 2, pp. 1005 1011.
[12] R. D. Middlebrook, S. Cuk "A general unified approach to modelling switching-converter power stages", IEEE Power
Electronics Specialist Conf., p.18 , 1976
[13] R. D. Middlebrook, S. Cuk "Modelling and analysis methods for DC-to- DC switching converters", IEEE Int.
Semiconductor Power Converter Conf. 1977 Rec., p.90 , 1977
[14] ] R. D. Middlebrook „Small-Signal Modeling of Pulse-Width Modulated Switched-Mode Power Converters”,
Proceedings of the IEEE, VOL. 76, NO. 4, APRIL 1988.
[15] S. R. Bowes, D. Holliday, S. Grewal: Comparison of single-phase three-level pulse width modulation strategies.
Electric Power Applications, IEE Proceedings, vol. 151, Issue 2, 9 March 2004, pp. 205 - 214.
[16] T. Sutkowski: Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Oficyna Wydawnicza REM Script
Sp z o.o., Warszawa 2007
[17] J. Wiatr, M. Miegoń: Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego. Dom
Wydawniczy Medium, Zeszyty dla Elektryków Nr 4, Warszawa 2008
[18] L. A. Morán, J. W. Dixon, J. R. Espinoza, R. R. Wallace: Using active power filters to improve power quality,
http://www.rta.com.br/wp-content/uploads/2011/03/37aespan.pdf
[19] Park Ki-Won: A Review of Active Power Filters, 2001, http://www4.hcmut.edu.vn/~nvnho/Download/PE/A-SeminarA%20review%20of%20Active%20Power%20Filter.pdf
22. Literatura uzupełniająca:
[18] S.R. Bowes, D. Holliday, S. Grewal: “Regular-sampled harmonic elimination PWM control of single-phase two-level
inverters”, Electric Power Applications, IEE Proceedings, vol. 148, Issue 4, July 2001, pp. 309 - 314.
[19] A. Michalski, K. Zymmer: „Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu w przekształtnikach
energoelektronicznych”, Instytut Elektrotechniki w Warszawie, Zakład Przekształtników Mocy, Prace Instytutu
Elektrotechniki, zeszyt 248, 2010.
[20] A. Michalski, K. Zymmer: „Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) w
warunkach komutacji prądu z wysoką częstotliwością”, Instytut Elektrotechniki w Warszawie, Zakład Przekształtników
Mocy, Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 243, 2009.
[21] M. Zdanowski, J. Rąbkowski, R. Barlik: „Straty mocy w różnych typach trójfazowych falowników PWM wykonanych
z przyrządów krzemowych i z węglika krzemu”, X KKE, Darłówko Wschodnie, 2011.
[22] R. Barlik, J. Rąbkowski, M. Nowak, Politechnika Warszawska, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej,
„Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu (SiC) i ich zastosowania w energoelektronice”, 2008.
[23] G. Kosobudzki: „Metoda całkowa wyznaczania mocy w obwodach jednofazowych z niesinusoidalnymi przebiegami
prądu i napięcia”, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 54 Politechniki Wrocławskiej
Nr 54, 2003
[24] M. Iliovici: “Definition of measure de la puissance de l’energie reactives”, France Electr.1925, 49–52, 931-954.
[25] F. Botteron, H. Pinheiro: “A Three-Phase UPS That Complies With the Standard IEC 62040-3”, IEEE Transactions on
Industrial Electronics, vol. 54, no. 4, August 2007, pp. 2120 – 2136.
[26] W.M. Grady: “Understanding Power System Harmonics”, Chapter 7. Standards and Solutions - IEEE 519. The
University of Texas, Austin, June 2006.
[27] S.M. Halpin, R.F. Burch: “Harmonic Limit Compliance Evaluations Using IEEE 519 – 1992”, February 2003.
[28] Hibbard J.F., Lowenstein M.Z.: “Meeting IEEE-519-1992 Harmonic Limits”, Trans-Coil Inc., Milwaukee, January
2004.
[29] S. Santi, R. Rovatti, G. Setti: “Generation of Optimal Switching Pattern for Single-Phase Inverter”, The 2004 47th
Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2004, MWSCAS '04, 25 - 28 July 2004, vol. 2, pp. II-625 - II-628.
[30] T. Yokoyama, A. Kawamura: „Disturbance observer based fully digital controlled PWM inverter for CVCF
operation”. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 9, Issue 5, September 1994, pp. 473 - 480.
[31] S. Cuk and R. D. Middlebrook "A general unified approach to modelling switching DC-to-DC converters in
discontinuous conduction mode", IEEE Power Electronics Specialists Conf., p.36 , 1977.
[32] C. W. Wester and R. D. Middlebrook, ”Low-frequency characterization of switched dc-to-dc converters,” in Proc.
IEEE Power Electronics Specialists Conf., pp. 9-20, 1972; also IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. AES-9, pp. 376385, May 1973.
[33] Robert W. Erickson „DC-DC Power Converters” Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering.
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
Lp.
Forma zajęć
1
Wykład
2
Ćwiczenia
3
Laboratorium
4
Projekt
0/0
5
Seminarium
0/0
6
Inne
0/0
Suma godzin
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
15/5
0/0
15/15
30/20
24. Suma wszystkich godzin: 50
25. Liczba punktów ECTS: 2
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela akademickiego: 1
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym (laboratoria, projekty): 1
26. Uwagi:
Zatwierdzono:
…………………………….
…………………………………………………
(data i podpis prowadzącego)
(data i podpis dyrektora instytutu/kierownika katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/kierownika lub
dyrektora jednostki międzywydziałowej)