Course Name
|
Turkish |
Güç Elektroniği End. Uyg.
|
| English |
Ind. Appl. of Power Electron. |
Course Code
|
ELK 453E |
Credit |
Lecture
(hour/week) |
Recitation
(hour/week) |
Laboratory
(hour/week) |
| Semester |
6
|
3 |
3 |
- |
- |
| Course Language |
English |
| Course Coordinator |
Salih Barış Öztürk
|
| Course Objectives |
1. Güç elektroniği bileşenlerini tanımak ve temel özelliklerini öğrenmek.
2. Güç elektroniği dönüştürücülerinin temel işleyişini, kayıplarını ve verimlerini tanımak.
3. Güç elektroniği devrelerini analiz etmek için çeşitli yöntemler kullanmak.
4. Güç elektroniği devre tasarımındaki konular hakkında yararlı fikirler edinmek.
5. Endüstriyel uygulamalarda güç elektroniği dönüştürücülerinin operasyonel sorunlarını ve sınırlamalarını açıklamak ve göstermek.
6. Güç elektroniği dönüştürücülerinin uygulama gereksinimlerini açıklamak.
7. Öğrencilerin gelişmiş bilgisayar simülasyon platformlarını kullanarak güç elektroniği problemlerini/tasarımlarını analiz etme ve çözme becerilerini geliştirmek.
|
| Course Description |
Bu ders, güç yarı iletken elemanlarını kullanılarak elektrik enerjisinin dönüştürülmesi, kontrolü ve izlenmesi ile ilgili temel kavramları sunar.
Rezonans dönüştürücüler/eviriciler dahil DC/DC ve DC/AC elektrik enerjisi dönüşümlerine uygun güç elektroniği dönüştürücülerini analiz etme yöntemleri sunulmaktadır.
Ek olarak, güç yarı iletkenleri ve pasif elemanlar da dahil olmak üzere güç elektroniği dönüştürücülerinin tasarımına ilişkin ilkeler oluşturulmuştur. Güç elektroniği dönüştürücülerinin elektriksel performansının bilgisayar destekli analizi ve simülasyonları da dersin amaçları arasındadır.
Güç elektroniği dönüştürücülerinin rüzgar ve güneş enerjisi gibi sürdürülebilir/yenilenebilir enerji teknolojileri alanlarındaki uygulamaları anlatılmaktadır. Ayrıca, SMPS'ler, UPS'ler ve endüksiyonlu ısıtma (rezonans eviriciler) gibi endüstriyel uygulamaların yanı sıra, mikro ve akıllı şebekeler dahil olmak üzere geleceğin güç sistemlerinde elektrik motoru sürücüleri, iletim, dağıtım ve kontrol için güç elektroniği uygulamaları incelenmektedir.
Detaylı Ders Tanımı:
Güç elektroniği devre elemanlarının özellikleri, anahtarlama karakteristikleri, güç kayıplarının incelenmesi. Güç dönüştürücü sınıfları ve işlemleri: DC/DC dönüştürücüler. Gerilim ve akım kaynağı tabanlı dönüştürücüler. Sert ve yumuşak anahtarlamalı ile rezonans devreler. Güç kaynakları (kesintisiz, anahtarlamalı), güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri ve geri besleme denetleyicisinin tasarımı, AC motor kontrol teorisinin incelenmesi (vektör/alan yönelimli kontrolün temelleri), güç elektroniği kontrol ilkeleri, AC sürücüler için modülasyon yöntemlerini temelleri (örn. SPWM ve SVPWM). Güç elektroniğinin yardımcı uygulamaları, sistem tasarımı, uygulama, kontrol ve bilgisayar arabirimi.
|
| Course Outcomes |
Bu dersi başarı ile tamamlayan öğrenciler:
1. Yenilenebilir enerji, enerji depolama, mikro şebeke ve endüstriyel uygulamalar dahil olmak üzere AC/DC, DC/DC ve DC/AC dönüşümünü gerçekleştiren güç elektroniği sistemlerini kullanarak elektrik enerjisi dönüşümü teorisi hakkında derinlemesine bilgi sahibi olabilecektir.
2. Önemli tasarım parametrelerini tanımlayabilecek ve işletme parametrelerinin mevcut ve gelecekteki elektrik güç şebekesi altyapısında ve endüstriyel tesislerde güç elektroniği dönüştürücülerinin planlanması ve kullanımı üzerindeki etkisini tanıyabilecektir.
3. Anahtarlamalı DC/DC güç elektroniği dönüştürücüler için çalışma ilkelerini ve modülasyon stratejilerini anlayabilecektir.
4. Rezonans eviriciler de dahil olmak üzere DC/AC eviricilerin çalışma prensiplerini, modülasyon stratejilerini ve PWM kontrolünü anlayabilecektir.
5. Güç elektroniği dönüştürücülerinin gelişmiş modellemesini ve kontrolünü anlayacaktır.
6. Güç elektroniği devre simülasyon araçlarını (MATLAB®/Simulink®, OrCAD/Capture, PSpice, LTSpice, PLECS, PSIM (powersimtech.com), SIMBA, VisSim, vb.) kullanarak güç elektroniği sistemlerinin elektrik performansını modelleyip benzetim çalışmalarını gerçekleştirebilecektir. |
| Pre-requisite(s) |
ELK331 (Güç Elektroniği Devreleri)/ELK331E (Power Electronics Systems) MIN DD
To succeed in this course depends on the good knowledge of the following fundamental electrical engineering topics:
1. Steady-state and transient analysis of linear electric circuits containing resistors, inductors, and capacitors.
2. The behavior of RLC circuits involving switches.
3. Solution of differential equations with initial conditions.
4. Phasor analysis of AC circuits, computing RMS and average values, power factor, meaning of leading and lagging power factors.
5. Apparent, real, and reactive powers in single- and three-phase power system.
6. Algebra with complex numbers, transformation from rectangular to polar coordinate and vice-versa.
7. Control systems with loop stability analysis (Bode plots, etc.), derivation of system transfer functions in s-domain and develop proper controller theoretically and analyze the system using simulation software platform (PSIM (powersimtech.com), MATLAB®/Simulink®).
8. Good knowledge of MATLAB®/Simulink® including SimscapeTM, Simscape ElectricalTM, Simscape Electrical > Specialized Power Systems (formerly known as SimPowerSystemsTM) to model and simulate electronic, mechatronic, and electrical power systems, Control Systems ToolboxTM.
9. Use of power electronic circuit design and analysis, including system/control level simulations using MATLAB®/Simulink®, PSpice, LTSpice, PSIM, etc. may be required for assignments.
10. Electromechanical energy conversion and/or electrical machines related courses.
Note1: Simscape™ Electrical™ (formerly SimPowerSystems™ and SimElectronics®) provides component libraries for modeling and simulating electronic, mechatronic, and electrical power systems. It includes models of semiconductors, motors, and components for applications such as electromechanical actuation, smart grids, and renewable energy systems. You can use these components to evaluate analog circuit architectures, develop mechatronic systems with electric drives, and analyze the generation, conversion, transmission, and consumption of electrical power at the grid level.
Simscape™ Electrical™ helps you develop control systems and test system-level performance. You can parameterize your models using MATLAB® variables and expressions, and design control systems for electrical systems in Simulink®. You can integrate mechanical, hydraulic, thermal, and other physical systems into your model using components from the Simscape™ family of products. To deploy models to other simulation environments, including hardware-in-the-loop (HIL) systems, Simscape™ Electrical™ supports C-code generation.
https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/getting-started-with-simscape-electrical.html
Note2: Control System Toolbox™ provides algorithms and apps for systematically analyzing, designing, and tuning linear control systems. You can specify your system as a transfer function, state-space, zero-pole-gain, or frequency-response model. Apps and functions, such as step response plot and Bode plot, let you analyze and visualize system behavior in the time and frequency domains.
https://www.mathworks.com/help/control/index.html?searchHighlight=control%20systems&s_tid=doc_srchtitle
Note3: The above subjects will not be directly covered/explained in the class - this course assumes you have sufficient knowledge of these topics. If you feel that your background on the above material is insufficient, you are advised to take a look at your circuit's, mathematics’ and control systems notes and/or books as well as MATLAB®/Simulink® help documents and related resources on the web. |
| Required Facilities |
Use of power electronic circuit design and analysis, including system/control level simulations using MATLAB®/Simulink®, OrCAD/Capture, PSpice, LTspice, PLECS, PSIM, SIMBA, etc., may be required for assignments and the project.
Inkscape, MS Word, Excel, PowerPoint, Beamer, and LaTeX for the reports and presentations. |
| Other |
For detailed and up-to-date information please visit ninova site: https://ninova.itu.edu.tr/Sinif/13227.99979 as well as the course website at http://web.itu.edu.tr/ozturksb (not active yet !) and MATLAB® help documents, and MATLAB® File Exchange at https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/ |
| Textbook |
• Daniel W. Hart, Introduction to Power Electronics, Int. Ed., 1st Ed., McGraw-Hill, 2013, ISBN-13: 978-0071321204
• Ned Mohan, Power Electronics: A First Course, 1st Ed., Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2011, ISBN-13: 978-1118074800 |
| Other References |
• M. H. Rashid, Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications, 4th Ed., Pearson, 2013, ISBN-13: 978-0133125900
• N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, Int. Ed., 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc., 2003, ISBN-13: 978-0471429081
• R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Springer, 2nd Ed., 2001, ISBN-13: 978-0792372707
• Muhammad H. Rashid, Power Electronics Handbook, 4th Ed., Butterworth-Heinemann, 2017, ISBN-13: 978-0128114070
• Sanjaya Maniktala, Switching Power Supplies A - Z, 2nd Ed., Newnes, 2012, ISBN-13: 978-0123865335
• Mahesh Patil and Pankaj Rodey, Control Systems for Power Electronics A Practical Guide, Springer, 2015, ISBN-13: 978-81-322-2327-6
• Euzeli dos Santos, Edison R. da Silva, Advanced Power Electronics Converters: PWM Converters Processing AC Voltages, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2014, ISBN: 978-1-118-88094-4
• Muhammad H. Rashid, Alternative Energy in Power Electronics, Butterworth-Heinemann, 2015, ISBN 978-0-12-416714-8
• Bogdan M. Wilamowski, J. David Irwin, Power Electronics and Motor Drives, 1st Ed., CRC Press, 2017, ISBN-13: 978-1-138-07747-8
• Haitham Abu-Rub, High Performance Control of AC Drives with Matlab/Simulink, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2012, ISBN-13: 978-0470978290
• Issa Batarseh, Ahmad Harb, Power Electronics: Circuit Analysis and Design, 2nd Ed., Springer, 2018, ISBN-13: 978-3319683652
• Muhammad Aamir, Design of a Non-isolated Single Phase Online UPS Topology with Parallel Battery Bank for Low Power Applications, Springer Theses, 1st Ed., Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2019
• Adel Nasiri, 24 - Uninterruptible Power Supplies, Editor(s): Muhammad H. Rashid, Power Electronics Handbook (Third Edition), Butterworth-Heinemann, 2011, Pages 627-641
• Kim,E.-H. et al, Transformerless three-phase on-line UPS with high performance. IET Power Electronics (2009),2(2):103 http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel:20070422
• Ned Mohan, Advanced Electric Drives: Analysis, Control, and Modeling Using MATLAB/Simulink, NJ: John Wiley & Sons, Inc., September 2014, ISBN-13: 978-1-118-48548-4
• Bin Wu, Yongqiang Lang, Navid Zargari, Samir Kouro, Power Conversion and Control of Wind Energy Systems, John Wiley & Sons, Inc., Hobokeni New Jersey, 2011, ISBN-13 978-1-118-02899-5
• Bogdan M. Wilamowski, J. David Irwin, Power Electronics and Motor Drives, 1st Ed., CRC Press, 2017, ISBN-13: 978-1-138-07747-8
• Bin Wu, High-Power Converters and AC Drives, IEEE Press, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, ISBN-13 978-0-471-73171-9.
• George Ellis, Control System Design Guide: A Practical Guide, 3rd ed., Elsevier Academic Press, 2004, ISBN-10: 0-12-237461-4
• P. Vas, Sensorless Vector and Direct Torque Control, Oxford University Press, 1998, ISBN: 198564651
• Sang-Hoon Kim, Electric Motor Control: DC, AC, and BLDC Motors, Elsevier Science, 2017, 1st ed., eBook ISBN: 9780128123195, Paperback ISBN: 9780128121382 |
|
|