BME VIK - Teljesítményátalakítók irányítása

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Balogh Attila,

A tantárgy tanszéki weboldala https://www.aut.bme.hu/Course/VIAUMA20

4. A tantárgy előadója Dr. Sütő Zoltán, egyetemi docens, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Dr. Kökényesi Tamás, egyetemi adjunktus, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Veréb Szabolcs, egyetemi tanársegéd, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Analóg és digitális alapáramkörök.

7. A tantárgy célkitűzése

A tantárgy keretein belül a tápegységekben alkalmazott érzékelési módszerekkel és a konverterek irányítástechnikai kérdéseinek, problémáinak körüljárásával foglalkozunk ipari szempontok figyelembevételével. A hallgatók gyakorlati megközelítésből megismerkednek a lineáris és kapcsolóüzemű tápegységek és inverterek szabályozástechnikai modelljeivel és irányítási módszereivel, betekintést kapnak a szabályozási elvek megvalósítására (modellvezérelt tervezés) és az implementáció valósidejű ellenőrzésére.

8. A tantárgy részletes tematikája Az előadások részletes tematikája

1. hét: Bevezető előadás

DCAC tápegységek csoportosítása feszültségszint, leválasztási mód és átalakítási mód szerint. Inverterek alkalmazási területeinek bemutatása.

2. hét: Teljesítmény-átalakítók áramérzékelési módszerei

A tápegységekben alkalmazott áramérzékelési módszerek ismertetése. Söntös, áramváltós, Hall effektuson alapuló és Fluxgate elvű megoldások felépítése, alkalmazhatósági területeinek ismertetése és az elérhető pontosság meghatározása.

3. hét: Teljesítmény-átalakítók feszültségérzékelési módszerei

A tápegységekben alkalmazott feszültségérzékelési módszerek ismertetése. Kompenzált feszültségosztó, differenciál erősítő közös módú és differenciál módú szűréssel, Hall effektuson alapuló megoldások felépítése, alkalmazhatósági területeinek ismertetése és az elérhető pontosság meghatározása.

4. hét: Teljesítmény-átalakítók jeleinek galvanikus leválasztása

A tápegységekben előforduló analóg és digitális jelek leválasztási módjainak ismertetése. Optikai, induktív és kapacitív leválasztáson alapuló megoldások felépítése, alkalmazhatósági területeinek ismertetése és az elérhető pontosság meghatározása.

5. hét: Szabályozástechnikai alapok – Lineáris szabályozók

Lineáris forrásról táplált soros belső feszültség – ellenállás – induktivitás áramkör irányítása arányos, integráló és PI szabályozóval. A szabályozási kör átviteli függvényének meghatározása, a paraméterek beállítása.

6. hét: Szabályozástechnikai alapok – Kapcsolóüzemű szabályozók

Kapcsolóüzemű forrásról táplált soros belső feszültség – ellenállás – induktivitás áramkör irányítása impulzusszélesség modulációra épülő PI szabályozóval. A szabályozási kör átviteli függvényének meghatározása, a paraméterek beállítása.

7. hét: Egyfázisú inverterek főáramkörének felépítése, vezérlési módszerek

Egyfázisú hídkapcsolású inverter felépítése és jellemző időfüggvényeinek meghatározása ellenütemű és eltolt vezérlés esetén. Az áramhullámosság kitöltési tényező függésének, illetve a félvezetők igénybevételének meghatározása.

8. hét: Hálózatra kapcsolt egyfázisú inverter DC feszültségének szabályozása

Egyfázisú hídkapcsolású aktív egyenirányító felépítése és jellemző időfüggvényeinek meghatározása ellenütemű és eltolt vezérlés esetén. A feszültségszabályozási kör átviteli függvényének, valamint a szabályozó paramétereinek meghatározása.

9. hét: Hálózatra kapcsolt egyfázisú inverter áramszabályozása, szinuszjel identifikátor

Hálózatra kapcsolt egyfázisú hídkapcsolású inverter áramszabályozási kör átviteli függvényének, valamint a szabályozó paramétereinek meghatározása. A hálózati feszültség amplitúdójának, frekvenciájának és fázishelyzetének meghatározása. A rezonáns szabályozó bevezetése.

10. hét: Háromfázisú inverterek főáramkörének felépítése, kiadható feszültségek

Háromfázisú hídkapcsolású inverter felépítése és a kiadható feszültségek meghatározása egyszerű vezérlés esetén. A Clarke és Park transzformáció bevezetése, a csillagpont potenciáljának alakulása.

11. hét: Háromfázisú modulációk

Háromfázisú hídkapcsolású inverterben alkalmazott modulációs technikák és felhasználási területeinek ismertetése. A fázisonkénti szinuszos, szimmetrikus és Flat-top moduláció bevezetése, a félvezetők veszteségének alakulása különböző modulációk esetén.

12. hét: Hálózatra kapcsolt háromfázisú inverter d-q áramszabályozása

Hálózatra kapcsolt háromfázisú hídkapcsolású inverter vektoros áramszabályozása. A szabályozási kör átviteli függvényének, valamint a szabályozó paramétereinek meghatározása.

13. hét: HIL rendszerek alapjai

A teljesítményelektronikában alkalmazott HIL (Hardware-in-the-loop) rendszerek felépítésének és tulajdonságainak ismertetése. A folytonos és diszkrét idejű modellek elkészítése egyszerű passzív áramkörök és ideális félvezetők esetén.

14. hét: HIL rendszerek használata

A HIL rendszer alkalmazása a gyakorlatban. Teljesítményelektronikai áramkörök modelljének automatikus kódgenerálása MATLAB környezetből FPGA-ra és mikrokontrollerre.

A gyakorlatok részletes tematikája

A gyakorlatokon példák formájában kerül elmélyítésre az előadásokon elhangzott illetve az önállóan feldolgozandó elméleti tananyag.

1. hét: Áram és feszültségérzékelés méretezése

Söntös és kompenzált Hall effektusos mérésen alapuló árammérési kör méretezése. A sönt és mérőkör induktivitásának kompenzálása. Kompenzált feszültségosztós mérőkör tervezése.

3. hét: Galvanikusan leválasztott érzékelők és meghajtók tervezése

Optikai, PWM és SD elvű leválasztó áramkör méretezése. A gyakorlatban használt induktív és kapacitív elvű leválasztók alkalmazása félvezetők meghajtásához, méretezési példa.

5. hét: Ub-R-L kör áramának irányítása digitális PI szabályozóval

Kapcsolóüzemű forrásról táplált soros belső feszültség – ellenállás – induktivitás áramkör irányítása impulzusszélesség modulációra épülő PI szabályozóval. A szabályozó paramétereinek analitikus meghatározása. A zárt szabályozási kör viselkedésének vizsgálata szimulációval különböző szabályozóparaméterek mellett.

7. hét: Egyfázisú szigetüzemű inverter méretezése és szimulációja

Egyfázisú szigetüzemű inverter méretezési példa. A félvezetők és a DC köri kondenzátor igénybevételének meghatározása, valamint a kimeneti LC szűrő méretezése. A méretezett áramkör paramétereinek vizsgálata szimulációval különböző modulációk alkalmazása esetén. A számított és szimulált eredmények összevetése.

9. hét: Egyfázisú hálózatra kapcsolt inverter méretezése és szimulációja

Egyfázisú hálózatra kapcsolt inverter méretezési példa. A félvezetők és a DC köri kondenzátor igénybevételének meghatározása, valamint a bemeneti LCL szűrő méretezése. A méretezett áramkör paramétereinek vizsgálata szimulációval különböző modulációk alkalmazása esetén. A számított és szimulált eredmények összevetése.

11. hét: Háromfázisú modulációk összehasonlítása

Háromfázisú hídkapcsolású inverterben alkalmazott fázisonkénti szinuszos, szimmetrikus és Flat-top modulációs technikák összehasonlítása harmonikus tartalom, veszteségek és a csillagpont potenciáljának szempontjából szimuláció segítségével.

13. hét: Hálózatra kapcsolt háromfázisú inverter méretezése és szimulációja

Háromfázisú hálózatra kapcsolt inverter méretezési példa. A félvezetők és a DC köri kondenzátor igénybevételének meghatározása, valamint a bemeneti LCL szűrő méretezése. A méretezett áramkör paramétereinek vizsgálata szimulációval különböző modulációk alkalmazása esetén. A számított és szimulált eredmények összevetése.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

A tárgy anyaga előadásokon, önállóan feldolgozandó írásos anyag formájában és gyakorlatokon kerül ismertetésre.

Önállóan feldolgozandó írásos tananyag:

Tápegységek nagy feszültségmeredekségű jeleinek érzékelése
Teljesítmény-átalakítók kétpont és áramcsúcs szabályozása
Feszültségesés és holtidő hatásai az egyfázisú inverter működésére, holtidő kompenzáció
Közös módú zavarok alakulása az egyfázisú inverterekben
Aszimmetrikus hálózatról üzemelő háromfázisú inverter x-y koordinátarendszerbeli rezonáns szabályozása
Napelemes rendszerek irányítási módszerei

10. Követelmények Szorgalmi időszakban

Kötelező részteljesítmény értékelés az önállóan elkészítendő feladat (Egy vagy háromfázisú inverter és hozzá kapcsolódó folyamat villamos tervezése, a rendszer irányításának kidolgozása MATLAB környezetben) alapján, amelynek egyszeri javítására biztosítunk lehetőséget. Az aláírás megszerzésének feltétele a feladat legalább 40%-os teljesítése. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megléte.

Vizsgaidőszakban

Kombinált vizsga, a szorgalmi időszakban önállóan elkészítendő feladat 30%-os súllyal és szóbeli teljesítményértékelés 70%-os súllyal. A vizsga teljesítésének feltétele a szóbeli teljesítményértékelés és a súlyozott eredmény legalább 40%-nak elérése.

11. Pótlási lehetőségek

Az önállóan elkészítendő feladat szorgalmi időszakban történő pótlásához 1 lehetőséget biztosítunk. Második pótlás lehetősége csak indokolt esetben, egyéni egyeztetést követően biztosítható.

A vizsgák a TVSZ-nek megfelelően pótolhatók.

12. Konzultációs lehetőségek Igény szerint előre egyeztetett időpontban online felületen keresztül.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Veréb Szabolcs, Dr. Varjasi István, Dr. Balogh Attila: Elektronikus átalakítók irányítása (Elektronikus jegyzet). BME AUT, 2022.
Dr. Balogh Attila, Dr. Gájász Zoltán, Dr. Varjasi István, Dr. Hermann Imre, Futó András, Veréb Szabolcs: Készüléktervezés (Elektronikus jegyzet). BME AUT, 2022.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	10
Felkészülés zárthelyire	-
Házi feladat elkészítése	30
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	35
Vizsgafelkészülés	33
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Balogh Attila, egyetemi docens, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
Veréb Szabolcs, egyetemi tanársegéd, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék