Основы преобразовательной техники

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 «Основы преобразовательной техники» относится к вариативной
части междисциплинарного профессионального модуля.
Дисциплине «Основы преобразовательной техники» предшествует освоение
дисциплин/модулей (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
 «Математика»;
 «Физика»;
 «Электротехника 1.3».
Содержание разделов дисциплины «Основы преобразовательной техники» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):
нет.
Освоение данной дисциплины служит основой для последующего изучения
дисциплин:«Преобразовательные устройства»,«Энергетическая электроника» и других.
Для успешного освоения дисциплины студенты должны владеть базовыми методами расчета электрических цепей постоянного и переменного тока в установившемся и переходном режимах, иметь представление об АЧХ, ФЧХ.
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)
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
Составляющие результатов обучения
Код
Знания
Код
Умения
З.4.1
методы расчета
электрических
и электронных
У.4.1
Проводить анализ и
расчет
линейных
цепей переменного
2
Владение
опытом
Код
-
-
З.4.3
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
-
ПК-1,
ОПК-3,
ОК-7
З.5.3
цепей;
базовые
элементы аналоговых и цифровых устройств.
-
Теоретические
основы электротехники,
методы составления и исследования уравнений, описывающих электромагнитные
процессы
в
электронных
устройствах
различного
назначения.
тока, анализ и расчет
электрических цепей
с нелинейными элементами.
-
-
В.3.1
-
-
-
Работы с современными аппаратными
и
программными
средствами проектирования
электронных систем.
-
В результате освоения дисциплины «Основы преобразовательной техники» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
№ п/п
РД1
РД2
РД3
Результат
Применять знания основных характеристик, защитных цепей и цепей
управления компонентов силовой электроники.
Выполнять расчеты отдельных узлов преобразовательной техники.
Выполнять обработку и анализ данных, полученных при теоретических и
экспериментальных исследованиях.
4. Структура и содержание дисциплины
Виды учебной деятельности
Лекции:
1.1. Введение. История развития, области применения и пути совершенствования
устройств энергетической электроники. Примеры структур систем электропитания
различного назначения.
1.2. Источники электрической энергии.
1.2.1. Характеристики и принцип действия химических, солнечных, топливных,
термоэлектрических, МГД, атомных и турбогенераторных источников электроэнергии. Промышленная сеть.
1.2.2. Показатели качества источников и потребителей электроэнергии постоянного и переменного тока, особенности работы мощных преобразователей.
1.2.3. Особенности источников электроэнергии ограниченной мощности.
1.3. Основные виды преобразования электрической энергии с помощью вентилей.
3
1.3.1. Типы преобразователей и их структура, идеализированные преобразователи однофазного и трехфазного тока, регулируемые преобразователи постоянного
напряжения. Базовые схемы выпрямителей, преобразователей постоянного
напряжения, инверторов.
1.3.2. Основные характеристики реальных преобразователей.
1.3.3. Назначение и режимы работы элементов силовой части преобразователей.
1.3.4. Типы нагрузок преобразователей.
1.4. Ключевые элементы преобразователей.
1.4.1. Силовые диоды и тиристоры. Параметры, последовательное и параллельное соединение, защитные цепи, расчет потерь. Формирователи импульсов
управления тиристорами.
1.4.2. Запираемые тиристоры и симисторы. Основные параметры. ВАХ. Характеристики управления и защиты.
1.4.3. Силовые MOSFET и IGBT транзисторы и транзисторные модули. Особенности работы высоковольтных транзисторов в режиме ключа. ОБР. Требования к
сигналу управления. Методы снижения статических и динамических потерь.
1.4.4. Формирователи импульсов управления мощными транзисторами.
Лабораторные работы:
1. Исследование характеристик силовых диодов.
2. Исследование динамических характеристик MOSFET транзисторов и защитных
RC, RCD – цепей.
3. Исследование трансформаторных формирователей импульсов управления силовых транзисторных ключей.
4. Исследование коммутационного узла триодного тиристора.
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).
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 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 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.
4
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 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 ИДЗ
Выполнение контрольных работ
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:
Лаб.раб. №2
«Исследование трансформаторных формирователей импульсов управления транзисторов и тиристоров»
1. Чем обусловлен выброс напряжения на коллекторе транзистора?
2. Чем ограничена длительность импульса в схемах рис.1,2,3?
3. По диаграммам вычислите индуктивность намагничивания трансформатора.
Поясните ход решения.
4. Нарисовать схему замещения трансформатора и пояснить физический смысл
всех ее компонент.
5. Какие диаграммы изменятся в схеме рис.2 если трансформатор заменить
двухобмоточным дросселем?
6. В чем состоит физическое и конструктивное отличие между трансформатором и дросселем? Какие материалы и типы магнитопроводов используются
для создания трансформаторов и дросселей?
7. Расскажите как можно ограничить выброс коллекторного напряжения на
транзисторе.
8. Поясните методику расчета импульсного трансформатора.
5
9. Нарисовать диаграмму входного тока реального трансформатора с переменным синусоидальным напряжением на первичной обмотке и последовательно соединенными диодом и активным сопротивлением на вторичной обмотке.
10. Предложите три варианта схемы генератора А1.
11. Поясните назначение VD1 и R1 в схеме рис.2. Приведите выражение для
расчета величины R2 и параметры для выбора VD1.
12. Поясните назначение диода VD1 в схеме рис.3.
13. Поясните диаграмму тока транзистора в схеме рис.2. Поясните, каким образом осуществляется выбор транзистора. Приведите пример.
14. Каким образом, и какие параметры трансформатора влияют на параметры
выходного импульса?
Пример индивидуальногозадания
«Расчет преобразователя постоянного напряжения». Технические данные
согласно номеру варианта. Необходимо рассчитать величину индуктивности
дросселя, средние и действующие значения токов дросселя, ключа и диода,
произвести конструктивный расчет дросселя, выбрать транзистор и диод,
определить потери в дросселе, транзисторе и диоде, рассчитать коэффициент
полезного действия. Также необходимо выбрать и рассчитать защитную цепь для
транзистора и формирователь импульса управления. Предложить вариант схемы
управления (без расчета) обеспечивающую стабилизацию выходного напряжения.
Примеры заданий для контрольных работ
Вариант №3
1. Расскажите о силовых диодах.
2. Нарисовать сфазированную с входной сетью диаграмму тока дросселя, с произвольным углом включения тиристора. Считать напряжение на нагрузке постоянным.
VS
L
VD
C
R
Um sin(t)
Вариант №4
1. Расскажите о силовых тиристорах
2. Нарисовать сфазированную с входной сетью диаграмму тока дросселя. Считать
напряжение на нагрузке постоянным.
VD1
L
VD2 C
Um sin(t)
6
R
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 (зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах – максимально 40 баллов), на зачете 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.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1 Основная литература
1. Воронин, П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики,
применение / П. А. Воронин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Додэка-XXI,
2005. — 381 с., ил.
2. 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.
3. 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.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.2. Дополнительная литература
Абрамович М.И., Бабайлов В.М., Либер В.Е. и др. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 432 с.: ил.
Основы преобразовательной техники: учебное пособие / Е. Ю. Буркин; Томский
политехнический университет. — Томск: Изд-во ТПУ, 2005. — 88 с.: ил.
Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник/В.В.Бачурин, В.Я. Ваксенбург, В.П.Дьяконов и др.: Под ред.
В.П.Дьяконова. – М.: Радио и связь, 1994. – 280 с.: ил.
Зи. С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.
Уильямс Б. Силовая электроника: приборы применение, управления. Справочное пособие: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.: ил.
Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. – М.: Советское радио,
1971.
Горский А.И., и др. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания, 1988 г.
Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем./ Под ред. В.А.
Лабунцова – М.: Энергоатомиздат, 1987 – 464 с.: ил.
7
Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного
электропитания: Справочник. – М.: Радио и связь, 1992. – 224 с.: ил.
10. Китаев В.Е. и др. Расчет источников электропитания устройств связи:
Учеб.пособие для ВУЗов. /Под ред. А.А. Бокуняева. – М.: Радио и связь, 1993. –
232с.
9.
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 кафедрыпромышленной 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.
8
9