Energoelektronika

Znajomość elektrotechniki, elektroniki, automatyki.

przedmiot obligatoryjny

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli ( 54 godz.):

- udział w wykładach – 30 godz.

- udział w laboratoriach – 18 godz.

- konsultacje lub poprawy – 6 godz.

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta (50 godz.):

- przygotowanie do wykładu – 10 godz.

- przygotowanie do laboratorium – 20 godz.

- przygotowanie do egzaminu – 20 godz.

Łącznie: 104 godz. (4 ECTS)

W1 - zna obszary zastosowań przekształtników energoelektronicznych, ich podstawowe własności i perspektywy rozwoju - K_W10, K_W04 dla AiR, K_W04, KW06 dla FT

W2 - ma uporządkowaną wiedzę dotyczącą topologii i zasady działania przekształtników DC/DC oraz DC/AC i AC/DC - K_W04, K_W05 dla AiR, K_W04, KW06 dla FT

W3 - zna techniki modulacji stosowane w przekształtnikach o topologii mostkowej - K_W04, K_W09 dla AiR, K_W04 dla FT

W4 - orientuje się w topologiach i zasadach działania przekształtników matrycowych i dwukierunkowych -K_W05, K_W09 dla AiR, K_W04, KW06 dla FT

W5 - zna zasadę działania oraz podstawowe topologie filtrów aktywnych i zasilaczy awaryjnych - K_W05 dla AiR, K_W04, KW06 dla FT

W6 - orientuje się w przyczynach nagrzewania się przyrządów półprzewodnikowych i metodach ich chłodzenia - K_W02, K_W09 dla AiR, K_W01, KW06 dla FT

U1 - potrafi dobrać przyrząd półprzewodnikowy w zależności od topologii i zastosowania przekształtnika energoelektronicznego - K_U01, K_U08, K_U13 dla AiR, K_U08 dla FT

U2 - umie zaproponować topologię przekształtnika energoelektronicznego zapewniającą uzyskanie pożądanych kryteriów użytkowych i eksploatacyjnych - K_U01, K_U08, K_U13 dla AiR, K_U08 dla FT

U3 - umie opracować model przekształtnika energoelektronicznego, zaimplementować technikę modulacji oraz dokonać analizy działania w specjalistycznym oprogramowaniu PLECS - K_U09 dla AiR, K_U06 dla FT

U4 - potrafi zaimplementować algorytmy sterowania przekształtnikiem DC/DC w procesorze Texas Instruments - K_U11 dla AiR, K_U06 dla FT

U5 - umie wykonać badania eksperymentalne przekształtnika DC/DC i na ich podstawie określić właściwości dynamiczne przekształtnika oraz wpływ parametrów pasywnych na jakość i efektywność przekształcania energii elektrycznej - K_U10, K_U08 dla AiR, K_U02, K_U04 dla FT

U6 - potrafi przygotować dokumentację dotyczącą badań przekształtnika energoelektronicznego - K_U05 dla AiR, K_U09 dla FT

K1 - zna ograniczenia związane ze stosowaniem przekształtników energoelektronicznych w środowisku przemysłowym - K_K06 dla AiR, K_K04 dla FT

Metoda dydaktyczna podająca:

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

Metoda dydaktyczna poszukująca:

- laboratoryjna

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- laboratoryjna

Celem zajęć z Energoelektroniki jest przekazanie podstawowej wiedzy z zakresu budowy i właściwości przyrządów półprzewodnikowych oraz topologii przekształtników energoelektronicznych i metod modulacji wykorzystywanych w przekształtnikach typu: DC/DC, AC/DC, DC/AC, AC/DC/AC, AC/AC.

Omówione zostaną struktury i metody sterowania wybranymi rodzajami przekształtników.

Przeprowadzona zostanie analiza wybranych obwodów energoelektronicznych.

Wykład obejmuje następujące zagadnienia:

Wprowadzenie

- technologie wytwarzania łączników półprzewodnikowych

- łączniki i przekształtniki w układach przekształcania energii elektrycznej

- obszary zastosowań przekształtników i perspektywy rozwoju

Budowa i właściwości przyrządów półprzewodnikowych

- diody mocy

- tyrystory SCR

- tyrystory IGCT

- tranzystory MOSFET

- tranzystory IGBT

- diody i tranzystory SiC

Przekształtniki beztransformatorowe DC/DC

- przekształtnik obniżający napięcie

- przekształtnik podwyższający napięcie

- przekształtnik podwyższająco-obniżający napięcie

- przekształtniki dwukierunkowe

Przekształtniki DC/DC z transformatorem HF

- topologie dla jedno- i dwukierunkowego przekazywania energii

- przekształtniki rezonansowe

Falowniki z obwodem pośredniczącym napięcia stałego

- topologie falowników jedno i wielofazowych

- kształtowanie prądu wyjściowego

- kształtowanie napięcia sinusoidalnego

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Prostowniki PWM z obwodem pośredniczącym napięcia stałego

- topologie prostowników jedno i wielofazowych

- kształtowanie prądu wejściowego

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Falowniki z obwodem pośredniczącym prądu stałego

- topologie falowników jedno- i wielofazowych

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Prostowniki PWM z obwodem pośredniczącym prądu stałego

- topologie prostowników jedno- i wielofazowych

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Przekształtniki bezpośrednie AC/AC

- klasyfikacja

- zasada działania przekształtników matrycowych

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Przekształtniki złożone (AC/DC/AC) z obwodem pośredniczącym

napięcia stałego

- topologie przekształtników złożonych

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Przekształtniki wielopoziomowe z obwodem pośredniczącym napięcia

stałego

- przekształtniki z diodami poziomującymi

- przekształtniki z kondensatorami o zmiennym potencjale

- przekształtniki komórkowe i hybrydowe

- metody modulacji

- przykładowe aplikacje

Filtry aktywne

- przykładowe topologie filtrów aktywnych

- struktury regulacji i przykładowe aplikacje

Zasilacze awaryjne UPS

- przykładowe topologie i wybrane właściwości

- przykładowe aplikacje

Nagrzewanie się przyrządów półprzewodnikowych oraz metody ich

chłodzenia

- modele cieplne

- obliczenia strat mocy

- metody chłodzenia

Zajęcia laboratoryjne składają się z dwóch części: symulacyjnej oraz eksperymentalnej. W ramach pierwszej grupy zadań konieczne jest wykonanie odpowiednich modeli symulacyjnych w środowisku PLECS. Po pomyślnej realizacji zadań cząstkowych przewidzianych w ramach pierwszej części zajęć nastąpi eksperymentalna weryfikacja otrzymanych wcześniej wyników.

Zakres tematyczny ćwiczeń symulacyjnych obejmuje analizę pracy przekształtników DC/DC o topologii:

- obniżającej napięcie (ang. buck),

- podwyższającej napięcie (ang. boost),

- mostkowej (ang. full-bridge).

W ramach przeprowadzonych symulacji badane będą właściwości dynamiczne i statyczne przekształtników dla różnych:

- parametrów filtra wyjściowego,

- metod modulacji,

- częstotliwości przełączeń układu.

Część eksperymentalna zostanie zrealizowana z wykorzystaniem zestawów ewaluacyjnych wyposażonych w półprzewodnikowe przyrządy mocy na bazie węglika-krzemu (SiC). Algorytmy modulacji będą implementowane przez studentów w układach wyposażonych w mikroprocesory Texas Instruments.

---------------

W roku akademickim 2020/21 ze względu na prowadzenie zajęć i egzaminów w formie zdalnej konieczne było wprowadzenie następujących zmian:

1) Egzamin w formie zdalnej za pośrednictwem platformy moodle;

2) Laboratoria w formie zdalnej z wykorzystaniem oprogramowania PLECS i platformy moodle bez części eksperymentalnej.

Literatura podstawowa:

1. M. Nowak M., R. Barlik, Poradnik inżyniera energoelektronika, tom 1, Wyd. Naukowe PWN, 2016

2. M. Nowak M., R. Barlik, J Rąbkowski, Poradnik inżyniera energoelektronika, tom 2, WNT, 2015

3. H. Tunia, R. Barlik, Teoria przekształtników, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2003

4. K. Krykowski, Energoelektronika, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007

5. M.P. Kaźmierkowski, R. Krishnan, F. Blaabjerg, Control in Power Electronics Selected Problems, San Diego: Academic Press, Elsevier Science, 2002, (wer. anglojęzyczna)

6. M.P Kaźmierkowski, J.T. Matysik, Wprowadzenie do elektroniki i energoelektroniki, OWPW, 2005

7. R. W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics, Boulder, Springer Science+Business Media Dordrecht, 1997 (wer. anglojęzyczna)

Literatura uzupełniająca:

1. T. Tarczewski, L.J. Niewiara, M. Skiwski, L.M. Grzesiak, Gain- scheduled constrained state feedback control of DC–DC buck power converter, IET Power Electronics, vol. 11, iss. 4, pp.735-743, 2018 (wer. anglojęzyczna)

2. J.R. Rodríguez et al., PWM regenerative rectifiers: state of the art, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 1, 2005, (wer. anglojęzyczna)

3. P.W. Wheeler, et al., Matrix Converters: A Technology Review, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 2, 2002, (wer. anglojęzyczna)

4. P. Szcześniak, Analiza i badania matrycowo – reaktancyjnych przemienników częstotliwości, Rozprawa doktorska, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra, 2009

5. W. Kołomyjski, Modulation Strategies for Three-level PWM Converter-fed Induction Machine Drives, Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa, 2009

6. L. Franquelo, et. al., The age of multilevel converters arrives, IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS MAGAZINE, 2008, (wer. anglojęzyczna)

7. H. Akagi, Active Harmonic Filters, PROCEEDINGS OF THE IEEE, vol. 93, no. 12, 2005, (wer. anglojęzyczna)

8. B. Singh, K. Al-Haddad, A Review of Active Filters for Power Quality Improvement, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 46, no. 5, 1999, (wer. anglojęzyczna)

9. R. Krishnan, S. Srinivasan, Topologies for uninterruptible power supplies, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1993, (wer. anglojęzyczna)

10. Ł. J. Niewiara, T. Tarczewski, Operating analysis of SiC DC/DC power converter for synchronous and asynchronous modulation, 2021 IEEE 19th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), 2021, pp. 140-146 (wer. anglojęzyczna)

Metody oceniania:

egzamin pisemny – W1, W2, W3, W4, W5, W6, U1, U2

zaliczenie na ocenę – U3, U4, U5, U6

Kryteria oceniania:

Wykład: egzamin pisemny zawierający pytania otwarte

ndst - <50%

dst- 50% ÷ 60%

dst plus- 60% ÷ 70%

db- 70% ÷ 80%

db plus- 80% ÷ 90%

bdb- > 90%

Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest pozytywna ocena z ćwiczeń laboratoryjnych

Laboratorium: zaliczenie na ocenę na podstawie średniej ocen uzyskanych podczas realizacji ćwiczeń laboratoryjnych

Na ocenę końcową składają się następujące czynniki:

- ocena wykonanych zadań cząstkowych

- wynik sprawozdania końcowego ze zrealizowanego projektu.

Skala ocen kształtuje się w sposób następujący:

ndst - < 60%

dst – 60% ÷ 67.5%

dst + - 67.5% ÷ 75%

db – 75% ÷ 82.5%

db+ - 82.5% ÷ 90%

bdb - > 90%

Warunkiem zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest uzyskanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń.

nie dotyczy