Detail předmětu

Electrical Drives

FEKT-BPA-EPBAk. rok: 2021/2022

Základní kurz navazuje na mechaniku, teorii elektrických strojů a výkonovou elektroniku, vytváří syntetizující pohled na požadavky a možnosti elektrických pohonů. Vysvětluje principy a metody stanovení výkonových částí a uzlů při respektování statických a dynamických vlastností motorů ve spojení s výkonovými polovodičovými měniči. Vždy je kladen důraz na posouzení ceny a hospodárnosti provozu jednotlivých subsystémů. Hlavním cílem kursu je pak detailní matematický popis pohonu se stejnosměrným strojem, směřující k následnému návrhu jeho kaskádní regulační struktury. V další části kursu je pak prezentován úvod do oblasti řízení střídavých strojů. Aplikační oblast pak zahrnuje kromě průmyslových pracovních mechanismů též zařízení elektrické trakce na různých výkonových úrovních.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Dalibor Červinka, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky (UVEE)

Nabízen zahraničním studentům

Pouze domovské fakulty

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- matematicky popsat běžné druhy momentově – otáčkových charakteristik poháněných zařízení, jak v závislosti na absolutní hodnotě rychlosti, tak na pracovním kvadrantu.
- přepočítat moment setrvačnosti poháněné soustavy na hřídel motoru.
- z napěťové a pohybové rovnice odvodit frekvenční přenosy a z nich sestavit matematický model stejnosměrného motoru.
- nakreslit a vysvětlit funkci všech možných zapojení silové části DC/DC měniče pro napájení motorů.
- sestavit matematické modely stejnosměrného měniče a všech souvisejících čidel.
- vysvětlit funkci kaskádní regulační struktury stejnosměrného pohonu a popsat všechny vnitřní vazby.
- syntetizovat regulátory proudu a otáček pro stejnosměrný pohon metodou optimálního modulu a symetrického optima
- vypočítat odezvu navržené regulační smyčky na skok žádané hodnoty či poruchy
- popsat pohony s asynchronními motory z uživatelského pohledu, vysvětlit možnosti řízení jejich otáček.
- nakreslit silové schéma frekvenčního měniče pro asynchronní motor, vysvětlit princip sinusové PWM a podstatu skalárního řízení.
- popsat co je odbuzování asynchronního motoru, vysvětlit oblasti konstantního momentu a konstantního výkonu.
- vyjmenovat ztráty v elektrickém pohonu, dimenzovat elektrický pohon prostřednictvím ekvivalentních metod.
- posoudit vhodnost jednotlivých typů motorů a měničů pro konkrétní průmyslové a trakční aplikace.

Výstupy z počítačových a laboratorních cvičení
Student umí:
- založit projekt v programu Matlab – Simulink a ovládat jeho základní knihovní funkce
- namodelovat pohybovou rovnici mechanismu
- vytvořit simulační model stejnosměrného stroje jak s cizím buzením tak s PM.
- vytvořit model proudové smyčky stejnosměrného pohonu s měničem
- vytvořit zpětnovazební model nadřazené otáčkové smyčky
- vytvořit zjednodušený model polohové smyčky
- základě výsledku simulace pracovního cyklu elektrického pohonu, stanovit ztráty a dimenzovat tak součásti pohonu (motor + měnič)
- provést inicializaci průmyslového servosystému SIEMENS Simotion
- realizovat regulátory otáček a proudu navržené dle SO a OM pomocí analogových obvodů
- provést analýzu ztrát pohonu se synchronním motorem na základě dynamometrem naměřených hodnot

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni středoškolského studia.
Navíc musí student umět:
- obecně vysvětlit principy elektrických strojů
- počítat s komplexními čísly
- aplikovat diferenciální rovnice pro popis elektromechanických systémů jak v časové oblasti, tak v operátorovém tvaru
- ovládat softwarový nástroj MATLAB SIMULINK na základní úrovni
- studenti musí být přezkoušeni podle vyhlášky 50

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Osnovy výuky

1. Rozdělení regulačních pohonů, jeho struktura, pracovní kvadranty, pojmy řízení a regulace.
2. Mechanické charakteristiky hnacího a zátěžného momentu
3. Metody redukce statických a dynamických sil a momentů
4. Mechanika pohonů, pohybová rovnice
5. Stejnosměrný motor, druhy, statický a dynamický matematický model
6. Tranzistorový měnič jako dynamický člen z pohledu teorie regulace
7. Snímače elektrických a neelektrických veličin v elektrických pohonech
8. Kaskádní regulace v elektrických pohonech, princip, struktura, stabilita
9. Metody návrhu regulačních smyček proudu a rychlosti, jejich srovnání, vliv poruch.
10. Ztráty v pohonu, dimenzování, ekvivalentní metody
11. Pohony s AS motory, náhradní schéma, momentová charakteristika
12. Řízení otáček AS motorů, frekvenční měniče, softstarty
13. Pohony se synchronními motory, EC motor

Učební cíle

Seznámení s pojmy a základy elektrických pohonů v teoretické i praktické úrovni v souvislosti s požadavky na profil bakaláře.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

G. K. Dubey, Fundamentals of Electrical Drives, Alpha Science International Limited, 2001 (EN)
U. A. Bakshi, M. V. Bakshi, Electrical Drives And Control, Technical Publications, 2009 (EN)
Werner Leonhard, Control of Electrical Drives, Springer Science & Business Media, 2001 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPA-ELE bakalářský

    specializace BPA-ECT , 3 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    specializace BPA-PSA , 3 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Zdeněk Feiler

Osnova

1. Blokové schéma el. pohonu.
2. Rozdělení regulačních pohonů, řízení, regulace.
3. Mechanika pohonů, pohybové rovnice
4. Typy motorů pro regulační pohony a jejich základní vlastnosti
5. Stejnosměrný motor, náhradní schéma, matematický model, statický, dynamický
6. Regulace proudu, rychlosti a polohy
7. Stabilita, bezpečnost regulace
8. SO, OM, charakteristiky, návrh regulátorů
9. Mechanické charakteristiky motorů a pracovních mechanismů
10. Ztráty v pohonu, dimenzování, ekvivalentní metody
11. Pohony sériovým buzením, odbuzování, SS motor v trakci
12. Pohony s AS motory, frekvenční měniče, softstarty

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Zdeněk Feiler

Osnova

Cvičení probíhá na laboratorních funkčních vzorcích elektrických pohonů s různými typy DC a AC motorů v otevřených i jednoduchých regulačních smyčkách.
Měřením se ověřují statické i dynamické vlastnosti jednotlivých struktur pohonů v otevřené i uzavřené smyčce.
1)Měření momentu setrvačnosti,parametry blokových schemat.
2)Kinematika pohonu.
3)Elektromechanické přechodové děje v různých provozních stavech pohonu.
4)AC pohon s frekvenčním měničem, statické a dynamické charakteristiky.
5)DC pohon s řízeným měničem,statické a dynamické charakteristiky.
6)Polohový servomechanismus.
7)Pohon se spínaným reluktančním motorem.
8)Pohon se speciálním typem motoru - EC.
9) - " - - jednofázové motory.
10) - " - - synchronní motory.
11) - " - - komutátorové motory.
12) - " - - reluktanční motory.
13) - " - - piezomotory.