Tehoelektroniikan opetussolu

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tehostaa sähkötekniikan opiskelijoiden opetusta ja oppimista Savonia-ammattikorkeakoulussa. Työssä pyrittiin luomaan mahdollisimman selkeä sekä havainnollinen opetussolu tehoelektroniikan opetuksen tukemiseksi. Projektin toteuttamisen mahdollisti Semikron Oy:n lahjoittamat tehoelektroniikan komponentit. Insinöörityön alkuosassa selvitettiin, millaisia tehoelektroniikan komponentit ovat ja millaisiin sovelluksiin ne soveltuvat. Lisäksi suunniteltiin esittelytaulut tehoelektroniikan peruskomponenttien esittelyyn. Esiteltävät komponentit jaettiin neljään ryhmään: diodit, tyristorit, IGBT-transistorit sekä SkiiP-teknologiat. Työn loppuosassa käsitellään kahta erilaista esittelykytkentää, joilla on tarkoitus demonstroida IGBT-transistorin sekä tyristorin toimintaa. IGBT-transistorin toimintaa esitellään 1-vaiheisella vaihtosuuntaajakytkennällä, jota voidaan ohjata erilaisilla modulointimenetelmillä, esimerkiksi pulssinleveysmoduloinnilla (Pulse Width Modulation, PWM). PWM-signaali syntyy, kun kolmioaaltoa ja siniaaltoa verrataan toisiinsa. Kolmioaalto syötetään operaatiovahvistimen invertoivaan napaan ja siniaalto ei-invertoivaan napaan. Tällöin operaatiovahvistimesta saadaan positiivinen pulssin, kun siniaalto on suurempi kuin kolmioaalto ja päinvastoin. Näin muodostettu ohjaussignaali syötetään erillisen ohjaimen kautta IGBT-transistoreille. Esittelytaulut saatiin suunniteltua valmiiksi ja vaihtosuuntaajakytkennän todettiin testauksen yhteydessä toimivan oikein. Toimintaperiaate selvitettiin tyristorin toimintaa kuvaavasta kytkennästä sekä suoritettiin kytkennän alustava suunnittelu.

The aim of this final project was to enhance the teaching and learning of electrical engineering students at Savonia University of Applied Sciences. This final project aimed at creating a teaching cell to support the teaching of power electronics. The project was made possible by Semikron Ltd's donation of power electronics components. First Semikron Ltd's donation was checked out to see what power electronics components there were and what applications they are suitable for. Secondly, the presentation boards of the basic power electronics components were designed. The presented components were divided into four categories, diodes, thyristors, IGBT transistors and SkiiP technologies. Thirdly, two different demonstration circuits, aimed at demonstrating the fields of action of the IGBT transistors and thyristors were drawn up. As a result, the IGBT transistor operation is presented with a one-stage inverter circuit, which can be controlled with a different modulation scheme such as Pulse Width Modulation, PWM. The PWM signal is generated when the sine wave and triangle wave are compared with each other. The sine wave is fed to the non-inverting terminal of the operational amplifier and the triangle wave to the inverting terminal. The operational amplifier provides positive pulses when the sine wave is greater than the triangle wave, and vice versa. This control signal is then fed through a separate controller to IGBT transistors. The thyristor circuit operation was described and the preliminary design was made. The result of the entire project was good and the benefits of the project could easily be demonstrated.