2. stupeň inžinierske štúdium,
program: VÝKONOVÉ ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY
predmety ŠS pre akademický rok 2013/2014
1. VÝKONOVÁ A APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA
2. RIADENIE SYSTÉMOV – tématické okruhy podľa zameraní
Tematické okruhy k ŠS z predmetu:
1. VÝKONOVÁ A APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA
A) Výkonové polovodičové súčiastky
1. Fyzikálne základy výkonových polovodičových súčiastok, PN priechod. Rovnovážny
stav, priepustná a záverná polarizácia, VA charakteristika, usmerňujúci jav. (VEP)
2. Výkonová polovodičová dióda. Statické a dynamické vlastnosti PIN diódy. (VEP)
3. Špeciálne typy diód - FRED, frekvenčné, mäkko komutujúce, Schottkyho dióda, lavínové,
BOD, Zenerove a Esakiho. (VEP)
4. Výkonový bipolárny tranzistor (P - BJT) - usporiadanie štruktúry, princíp činnosti.
Poruchové mechanizmy. Operačné oblasti, statické charakteristiky a dynamické vlastnosti
P – BJT. Paralelné radenie a Darlingtonové zapojenie. (VEP)
5. Výkonový unipolárny tranzistor (MOS-FET, SIT) - usporiadanie štruktúry a princíp
činnosti. Statické a dynamické vlastnosti. (VEP)
6. Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom (IGBT) - usporiadanie štruktúry, statické a
dynamické vlastnosti. BIMOS spínač. (VEP)
7. Tyristory SCR, GATT a GTO - usporiadanie štruktúry, statické charakteristiky a
dynamické vlastnosti. (VEP)
8. Vznik tepla v polovodičovej štruktúre a jeho odvod. Chladiace systémy - rozdelenie,
vlastnosti a návrh. (VEP)
9. Ochrana polovodičových súčiastok
výkonovému preťaženiu. (VEP)
voči nedovolenému prúdovému, napäťovému a
10. Modelovanie výkonových polovodičových súčiastok – prostriedky, rozdelenie modelov
a ich vlastnosti. (ASVO)
11. Kvázidynamické a dynamické modely tranzistorov pre výkonové aplikácie (ASVO)
B) Výkonové elektronické meniče
12. Statické výkonové meniče - rozdelenie, aplikačné oblasti. (VPM)
13. Neriadené, poloriadené a riadené usmerňovače s induktívnou záťažou - opis činnosti vo
vodivostných a komutačných intervaloch, časové priebehy prúdu, napätia a výkonu.
(VPM)
14. Komutácia prúdu a komutačný úbytok napätia v usmerňovači - vonkajšia charakteristika.
Ekvivalentný vnútorný odpor (VPM)
15. Úplná vonkajšia charakteristika trojfázového riadeného usmerňovača. Jednoduchá a
viacnásobná komutácia, režim samoregulácie uhla fázového riadenia. Oblasť medzných
preťažení. (VPM)
16. Spolupráca riadeného usmerňovača s jednosmerným motorom (záťaž s protinapätím) v
usmerňovačovom a striedačovom režime. Zlyhanie komutácie usmerňovača, príčiny a
protiopatrenia. (VPM)
17. Usmerňovač s kapacitným filtrom - opis činnosti, návrh usmerňovača a filtra. (VPM)
18. Spätný vplyv usmerňovačov na napájaciu sieť. Porovnanie riadeného usmerňovača s
induktívnou záťažou a usmerňovača s kapacitným filtrom. (VPM)
19. DC/DC meniče - princíp činnosti a rozdelenie. Základné spôsoby riadenia výstupného
napätia a prúdu. (VPM)
20. Jednosmerné impulzové meniče s tranzistormi. Základné zapojenia a vlastnosti. (VPM)
21. DC/DC meniče s galvanickým oddelením. Základné zapojenia a vlastnosti. (VPM)
22. Základné obvodové princípy striedačov - rozdelenie podľa charakteru napájacieho zdroja
a spôsobu komutácie. (VPM)
23. Prúdový striedač s dvojstupňovou komutáciou - opis činnosti
komutačných intervaloch. (VPM)
vo vodivostných a
24. Striedače s tranzistorovými spínačmi - opis činnosti, aplikačná oblasť. (VPM)
25. Spôsoby riadenia výstupného napätia striedača - vytvorenie trojfázovej sústavy napätí.
(VPM)
26. Striedavé meniče - priame výkonové polovodičové meniče (cyklokonvertory, striedavé
regulátory) - princíp činnosti. (VPM)
27. Princíp činnosti jednofázového obálkovo a fázovo riadeného cyklokonvertora.
Cyklokonvertor s induktívnou záťažou. (VPM)
28. Vlastnosti frekvenčne regulovaných pohonov s cyklokonvertorom a striedačom.
Aplikačné oblasti. (VPM)
29. EMC VPS (EMKE, VPS)
30. Spôsoby znižovania vplyvu meničov na napájaciu a záťažovú (motorickú) sieť - účinník
l. harmonickej, celkový účinník, faktor výkonu, harmonické a tvarové skreslenie,
obmedzovacie a vyhladzovacie členy. (EMKE)
31. Vlastnosti a analýza 4Q meniča (AVETE)
32. Použitie PAF, výpočet referenčnej hodnoty prúdu (AVETE)
33. SVC kompenzátor (AVETE)
Tematické okruhy k ŠS z predmetu:
2. RIADENIE SYSTÉMOV
A) Všeobecná časť, spoločná pre zamerania: Mechatronika
a Výkonová elektronika
1. Regulačný obvod ako systém. Statické a dynamické vlastnosti systému a ich
matematická reprezentácia. (TAR)
2. Obrazový prenos lineárneho dynamického systému (TAR)
3. Frekvenčné charakteristiky v komplexnej rovine. Pojem frekvenčnej charakteristiky, jej
definícia. Vzťah frekvenčnej charakteristiky a prenosu. Zakresľovanie frekvenčnej
charakteristiky v komplexnej rovine, analýza tvaru frekvenčnej charakteristiky. (TAR)
4. Frekvenčné charakteristiky v logaritmických súradniciach. Metóda logaritmovania
frekvenčného prenosu. Pojem amplitúdovej a fázovej časti frekvenčnej charakteristiky.
Kreslenie amplitúdových charakteristík metódou asymptot. Frekvenčné charakteristiky
kmitavého člena. (TAR)
5. Stabilita lineárnych dynamických systémov. Pojem stability lineárneho dynamického
systému. Podmienky vzniku nestability. Matematická formulácia stability. Vybrané
kritéria stability a ich aplikácie. (TAR)
6. Kvalita regulácie. Intuitívne formulovanie kvality regulácie. Základné kritériá
hodnotenia kvality regulácie. (TAR)
7. Typy regulátorov. Požadovaná funkcia regulátora. Metódy vytvorenia požadovanej
funkcie regulátora. Základné typy regulátorov. Zásady pre nastavovanie regulátorov.
(TAR)
8. Diskrétne riadenie, rozdielnosti, výhody a nevýhody spojitého analógového
a diskrétneho a číslicového riadenia, porovnanie výpočtovej rýchlosti a presnosti
riadenia. (DRVS)
9. Architektúra mikropočítača. (model mikropočítača s jednou zbernicou, model
mikroprocesora, funkcia aritmetickej logickej jednotky, registre, programový čítač,
stavové registre mikroprocesora, operačná pamäť mikropočítača, vstupné a výstupné
obvody mikropočítača) (MT)(SMMP) (MDSP)
10. Inštrukčný súbor a inštrukčný cyklus mikropočítača. (rozdelenie inštrukcií
mikropočítača podľa druhu operácie, matematický opis aritmetickej inštrukcie, logickej
inštrukcie, inštrukcie presunu dát, inštrukcie vetvenia, štruktúra strojového kódu
inštrukcie, časový interval prípravy a vykonania inštrukcie mikroprocesora)
(MT)(SMMP) (MDSP)
11. Pamäťový podsystém mikropočítača. (rozdelenie pamäťového priestoru mikropočítača,
druhy polovodičových pamäti dát a programu, základné dynamické parametre, kapacita
a organizácia polovodičovej pamäti) (MT)(SMMP) (MDSP)
12. Funkcia čítača a časovača v mikropočítači. (vysvetliť funkciu čítača a časovača
v mikropočítači, príklad aplikácie čítača, príklad aplikácia časovača, spôsoby
konfigurácie čítača a časovača, ovládanie časovača a čítača pomocou systému
prerušenia v mikropočítači) (MT)(SMMP) (MDSP)
13. Sériová a paralelná komunikácia, prepojenie mikropočítača s okolím. (pripojenie
prídavných zariadení k mikropočítaču, rozdiel medzi paralelným a sériovým prenosom
dát, štandardy sériových prepojení, funkcia master/slave, programové riadenie a časový
rámec sériovej komunikácie) (MT)(SMMP) (MDSP)
14. Voľba vzorkovacej frekvencie, technologické požiadavky na dobu vzorkovania,
technická realizovateľnosť požadovanej doby vzorkovania, obmedzenia,
realizovateľnosť diskrétnych riadiacich algoritmov v mikropočítači a DSP. (DRVS)
B) Riadenie mechatronických systémov,
pre zameranie Mechatronika
15. Mechatronický systém a jeho charakteristika. Vývoj teórie mechatronických systémov,
súčasný stav a predpokladaný vývoj. Aplikačné oblasti mechatronického systému.
(MTR)
16. Identifikačné znaky mechatronických systémov (vlastnosti, funkcie, parametre) (MTR)
17. Hlavné prvky mechatronických systémov, periférne prvky mechatronických systémov
(vzájomná kompatibilita v mechatronickom systéme). (MTR)
18. Technické prostriedky mechatronických sústav - charakteristiky prvkov sústavy.
Snímače, kontaktné a bezkontaktné spínače, meniče, pohony, prevodníky, signálové
procesory, mikropočítače. (MTR)
19. Riadenie mechatronických systémov. Spôsoby a technické prostriedky. (MTR)
20. Elektrické pohony mechatronických systémov. Základné typy, rozdelenie a metódy
riadenia. (EP1)
21. Riadenie jednosmerného motora s cudzím budením (JSMCB). Model motora. Návrh
regulačných slučiek polohy, rýchlosti (otáčok) a momentu (prúdu). (EP1)
22. Riadenie asynchrónneho a synchrónneho stroja. Základné princípy a ich technická
realizácia. Skalárne riadenie ASM. (EP1)
23. Nepriame vektorové riadenie SMPM orientované na rotorový tok. Dvojosový model
motora. Bloková schéma vektorového riadenia. (EP1)
24. Nepriame vektorové riadenie ASM orientované na rotorový tok. Dvojosový model
motora. Bloková schéma vektorového riadenia. (EP1)
25. Kaskádne radenie regulátorov elektrického pohonu v mechatronickom systéme,
obmedzenie vstupov, požadované vlastnosti nadradenej (polohovej a otáčkovej) slučky a
podradenej prúdovej slučky, princíp algoritmu Anti – wind-up. (DRVS)
26. BLDC motor, princíp činnosti. Bloková schéma riadenia. (EP1)
27. Modelovanie, simulácia a optimalizácia mechatronických sústav. (MTR, MDS)
28. Hlavné rozdiely a charakteristické znaky pre spojitú a diskrétnu technológiu. Stavový
diagram pre stavy technológie. Stromy bezporuchovej, poruchovej funkcie a alarmov.
(PPA2)
29. Aplikovaná informatika. Vertikálny model informačného systému podniku. Význam
funkcie a prepojenia vrstiev. Technológia, procesná, operátorská a manažérska úroveň,
Control, SCADA, MES a ERP. (DS), (PI)
30. Význam, použitie a spôsoby programovania PLC automatov. Usporiadanie PLC
automatov. I/O jednotky automatov, normalizácia I/O. (PPA2)
31. Rozdelenie informačných a priemyselných sietí podľa realizácie fyzickej a linkovej
vrstvy, topológie, médiá, metódy prístupu na médium, adaptéry. (IPS)
32. Základné vlastnosti SCADA systémov. Význam a využitie vizualizácie. Ergonómia
a psychlogia HMI. Typy a rozloženie objektov na obrazovke, interpretácia a kódovanie
objektov, význam farieb. (DS), (PI)
C) Riadenie elektronických systémov,
pre zameranie Výkonová elektronika
15. Výkonový elektronický systém a jeho riadenie. Usporiadanie systému, charakteristika
uzlov. (VPS)
16. Riadenie DC/DC meničov. Off-line a on-line prevádzka. Štruktúra riadiaceho
a regulačného obvodu. Statické a dynamické vlastnosti. Dynamická odozva výstupného
napätia na poruchovú veličinu – nastavenie regulátora (VPS, VPM)
17. Spôsoby riadenia výkonových polovodičových systémov. Analógové, diskrétne a
kombinované riadenie – výhody, nevýhody porovnanie vlastností (VPS)
18. Diskrétny charakter výkonových polovodičových meničov, menič ako člen regulačného
obvodu. (DRVS)
19. Prevod čísla na časový interval, druhy ŠIM modulácie, prúdová a napäťová ŠIM,
integrované ŠIM modulátory, ŠIM modulátor ako periférne zariadenie DSP, SVM
modulácia.(DRVS)
20. Vplyv spínacej frekvencie na spínacie straty výkonového meniča a na kvalitu výstupnej
riadenej veličiny, skreslenie striedavých výstupných veličín, zvlnenie elmag. momentu
a otáčok. (DRVS)
21. Technické prostriedky riadenia elektronických systémov. Základné typy
mikropočítačov a ich vlastnosti. (MT)(SMMP) (MDSP)
22. 8-bitové mikropočítače – vlastnosti a aplikačná oblasť při riadení elektronických
systémov. (MT)(SMMP) (MDSP)
23. 16-bit. mikropočítače (napr. SAB80C16x), architektúra, organizácia pamäte, pripojenie
externých zariadení, integrovaný AD prevodník, hlavné registre, technické parametre.
(MDSP)
24. Digitálne signálové procesory a viac bit. (16) mikropočítače, porovnanie výpočtovej
výkonnosti, hlavné rozdiely medzi DSP a uC, hlavné výhody DSP (numerická
integrácia), porovnanie viacerých typov DSP (MDSP)
25. Digitálne signálové procesory (napr. ADSP21xx), príklad viac-zbernicovej architektúry,
organizácia pamäte, pripojenie ext. pamätí, hlavné registre ASTAT, MSTAT, výpočtová
ALU jednotka, jednotka MAC, ďalšie jednotky (generátory adries, paralelný posúvač,
prepojenie zberníc. (MDSP)
26. Vývoj programu pre mikropočítače a DSP, algebraický asembler, prekladače z Cjazyka, rozdielnosti programovania v pevnej a pohyblivej desatinnej čiarke,
programovanie sústavy diferenciálnych rovníc a diskrétnych algoritmov. (MDSP)
27. Princíp riadenia statického VAR kompenzátora (SVC). Výpočet inštalovaného výkonu
SVC. (AVE)
28. Riadenie výkonového paralelného aktívneho filtra (PAF). Blokové schéma riadenia.
Metódy výpočtu referenčného prúdu PAF. (AVE)
29. Riadenie výkonového sériového aktívneho filtra. Blokové schéma riadenia. Výpočet
referenčného napätia, výpočet referenčného prúdu. Možnosť kompenzácie základnej
harmonickej. (AVE)
30. Riadenie dynamického reštaurátora napätia (DVR). Blokové schéma riadenia. Metóda
minimálnej energetickej náročnosti, detekci poruchy DVR. (AVE)
Súvisiace predmety štúdia:
(ASVO) – Analýza a syntéza výkonových obvodov (prof. Ing. P. Špánik, PhD.)
(AVE) – Aplikovaná výkonová elektronika (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
(DRVS) – diskrétne riadenie výk. (el.) systémov (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
(DS), (PI) – Dispečerske systémy a Priemyselná informatika (prof. Ing. Fedor Kállay, PhD.)
(EMKE) – Elektromagnetická komptabilita v elektrotechnika (prof. P. Špánik, PhD.)
(EP1) – Elektrické pohony 1 (prof. Ing. Ján Vittek, PhD.)
(IPS) – Informačné a priemyselné siete (prof. Ing. Fedor Kállay, PhD.)
(MDSP) Mikropočítače a dig. sig. procesory (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
(MT) – Mikroprocesorová technika (doc. Ing. J. Čuntala, PhD.)
(MTR) Mechatronika (doc. Ing. P. Pavlásek, PhD.)
(PPA2) – Počítače v priemyselnej automatizácii (prof. Ing. Fedor Kállay, PhD.)
(SMMP) – Systémy s mikroprocesormi a mikropočítačmi (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
(TAR) Teória automatického riadenia 1, 2 (Ing. A. Simonová, PhD.)
(VPM)- Výkonové polovodičové meniče (prof. Ing. P. Špánik, PhD.)
(VPS)- Výkonové polovodičové systémy (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
(VEP) – Výkonové elektronické prvky (prof. Ing. P. Špánik, PhD.)
(AVETE) – Aplikácia výkonovej elektroniky v ET a EE (prof. Ing. B. Dobrucký, PhD.)
Schválil:
prof. Ing. Pavol Špánik, PhD. KME, EF, ŽU v Žiline
Download

Výkonové elektronické systémy