Μαθήματα

Ηλεκτρικές Μηχανές & Συστήματα Οδήγησης Κινητήρων Ι

Γενικά

Περιεχόμενα μαθήματος

1. Βασικές έννοιες από τη μηχανική στρεφομένων σωμάτων: γωνιακή ταχύτητα, γωνιακή επιτάχυνση, ροπή στρέψης, μηχανική ισχύς περιστρεφόμενου άξονα, ροπή αδρανείας, ο νόμος της αδράνειας του Νεύτωνα για περιστρεφόμενο σώμα, ενέργεια, έργο, ισχύς, αρχή διατήρησης της ενέργειας/ισχύος. Εισαγωγή: βασικές οικογένειες μετατροπέων κινητηρίων συστημάτων και ενδεικτικές εφαρμογές, βασικές μαθηματικές έννοιες (dc τιμή, ενεργός τιμή κυματομορφών τάσης και έντασης),
2. Βασικές έννοιες από τη θεωρία ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (ηλεκτροτεχνία). Τρόποι παραγωγής μαγνητικής ροής. Μόνιμοι μαγνήτες, ηλεκτρομαγνήτες, σιδηρομαγνητικά υλικά, καμπύλη μαγνήτισης (υστέρησης). Ηλεκτρικά κυκλώματα (DC,AC) με χρήση διακοπτών: ανάλυση καταστάσεων – εξισώσεις κατάστασης, σχεδίαση κυματομορφών τάσης έντασης, βασικοί υπολογισμοί, παραδείγματα.
3. Νόμος της επαγωγής του Faraday, δύναμη Laplace σε ρευματοφόρο αγωγό, ΗΕΔ δύναμη σε αγωγό που κινείται εντός μαγνητικού πεδίου. Πυκνότητα μαγνητικής ροής. Στρώση ρεύματος. Μονάδες μέτρησης Wb, T, Α/m. Βασικοί διακόπτες μετατροπέων κινητηρίων συστημάτων: δίοδος, θυρίστορ, τρανζίστορ ισχύος ,IGBT, MOSFET, GTO, χαρακτηριστικά και παραδείγματα εφαρμογών.
4. Μετασχηματιστές. Η δίοδος ισχύος: Χρήση, επιλογή, βασικά κυκλώματα με χρήση διόδων (μονοφασικά-τριφασικά), υπολογισμοί κυμάτωσης, θέματα φόρτισης/εκφόρτισης πυκνωτών, παραδείγματα. Προδιαγραφές μετατροπέων με διόδους.
5. Η απλούστερη ηλεκτρική μηχανή: δύο αγωγοί εντός σταθερού μαγνητικού πεδίου. Παραγωγή τάσης, παραγωγή ροπής. Ψήκτρες. Γενίκευση για περισσότερους αγωγούς. Οι σχέσεις E=kωφ και τ=kIφ. Δομή μηχανής DC. Το θυρίστορ: Χρήση, επιλογή, βασικά κυκλώματα ελεγχόμενων μετατροπέων κινητηρίων συστημάτων AC/DC (μονοφασικά-τριφασικά) με χρήση θυρίστορ, υπολογισμοί κυμάτωσης, παραδείγματα. Προδιαγραφές μετατροπέων με θυρίστορ.
6. Αντίδραση οπλισμού δρομέα, παραμόρφωση μαγνητικού πεδίου, εξασθένιση μαγνητικής ροής υπό φορτίο, τρόποι αντιμετώπισης. Είδη περιελίξεων, βροχοτύλιγμα, κυματοτύλιγμα. Κατασκευαστικές λεπτομέρειες: άξονας, ρουλεμάν, ανεμιστήρας, συλλέκτης, ψηκτροθήκες, πτερύγια ψύξης, τεχνολογικά υλικά. Η έννοια της «ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος» (“power quality”): η έννοια των αρμονικών σε δίκτυα ισχύος, προέλευση, παρουσία (σε δίκτυα ac και dc), αποτελέσματα, απαιτήσεις προτύπων φάσμα αρμονικών, THD.
7. Είδη διεγέρσεων κινητήρων DC: PM, ξένη διέγερση, παράλληλη διέγερση, διέγερση σειράς, σύνθετη διέγερση. Χαρακτηριστική φορτίου για κάθε είδος διέγερσης. Τυπικές εφαρμογές κάθε τύπου μηχανής. Εισαγωγή στους μονοφασικούς αντιστροφείς (inverters) με χρήση τεχνολογιών τρανζίστορ: βασικές αρχές λειτουργίας. Αρχές διαμόρφωσης εύρους παλμών, διαμόρφωση με μεταβλητό εύρος παλμού, εφαρμογές, παραδείγματα.
8. Έλεγχος ταχύτητας περιστροφής σε κινητήρα DC. Variable Speed Drives (DC Drives): αρχή λειτουργίας και βιομηχανικές εφαρμογές. Η έννοια της διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM), βασικοί παράμετροι ελέγχου, υλοποίηση ημιτονοειδούς διαμόρφωσης (SPWM) και χρήση σε μετατροπείς DC και AC. Αρμονικές PWM. Παραδείγματα και σχεδίαση.
9. Χάρτης των ηλεκτρικών μηχανών AC. Ορολογία. Η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη ως ανεστραμμένη DC μηχανή. Περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Commutation στον στάτη χωρίς ψήκτρες. Ομοιότητες και διαφορές από τη μηχανή συνεχούς ρεύματος. Τριφασικοί αντιστροφείς (inverters) με χρήση τεχνολογιών τρανζίστορ: βασικές αρχές λειτουργίας, διαμόρφωση με απλό παλμό και με PWM. Εφαρμογές σε κινητήρια συστήματα
Εισαγωγή στις βασικές έννοιες ελέγχου κίνησης.
10. Εισαγωγή στον σύγχρονο κινητήρα PM: PMAC, PMSM και BLDC μηχανές. Απαιτήσεις σε drives για τη λειτουργία σύγχρονων κινητήρων. Ροπή εκκίνησης και διαδικασία επιτάχυνσης. Περιγραφή ενός τυπικού Servodrive. Έλεγχος ταχύτητας περιστροφής. Αρχή λειτουργίας κινητηρίων συστημάτων AC – μέθοδοι ελέγχου.
11. Σύντομη αναφορά στις σύγχρονες μηχανές ξένης διέγερσης ως γεννητριών. Ειδικές μηχανές για σερβοκινητήρια συστήματα: βηματικός κινητήρας, μηχανή σύγχρο, κ.α. Σύντομη εισαγωγή στους ασύγχρονους κινητήρες. Δυνατότητα παραγωγής μαγνητικού πεδίου από τον ρότορα δίχως PM ή ηλεκτρομαγνήτη. Μετατροπέας DC/DC υποβιβασμού τάσης (buck converter): αρχή λειτουργίας, σχεδίαση, εφαρμογή, έλεγχος τάσης.
12. Ο στρεφόμενος μετασχηματιστής. Είδη περιέλιξης ρότορα ασύγχρονης μηχανής: ο δακτυλιοφόρος δρομέας και ο βραχυκυκλωμένος κλωβός. Ολίσθηση. Η πινακίδα ενός ασύγχρονου κινητήρα. Συνδεσμολογία Υ ή Δ. Κιβώτιο ακροδεκτών. Μετατροπέας DC/DC ανύψωσης τάσης (boost converter): αρχή λειτουργίας, σχεδίαση, εφαρμογή, έλεγχος τάσης.
13. Το ισοδύναμο κύκλωμα μιας ασύγχρονης μηχανής. Παράμετροι από τις οποίες εξαρτάται το ρεύμα μαγνήτισης. Έλεγχος στροφών με VFD. Χαρακτηριστική ροπής-στροφών για ΒΚ και ΔΔ. Εφαρμογές του ΔΔ σε αντιδιαστολή με τον ΒΚ. Απώλειες ισχύος στην ασύγχρονη μηχανή. Παραδείγματα, ασκήσεις. Αρχή λειτουργίας κινητηρίων συστημάτων DC – μέθοδοι ελέγχου.

Μαθησιακοί Στόχοι

Το μάθημα είναι σχεδιασμένο με σκοπό να παρέχει τη θεωρητική και παραστατική εμπειρία επάνω στις βασικές αρχές της τεχνολογίας των ηλεκτρικών μηχανών και της τεχνολογίας των ηλεκτρονικών συστημάτων μετατροπέων για την οδήγηση αυτών με έμφαση στους ηλεκτρικούς κινητήρες. Ιδιαίτερα, επικεντρώνεται στην χαρτογράφηση των διαφόρων ειδών ηλεκτρικών κινητήρων που έχουν σημαντική συμμετοχή στις τεχνολογικές εφαρμογές της βιομηχανίας, στην ανάλυση της αρχής λειτουργίας τους, στις κατασκευαστικές τους λεπτομέρειες και στην μαθηματική μοντελοποίηση τους. Παράλληλα το μάθημα εστιάζει σε εφαρμογές μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας με άμεση χρήση σε βιομηχανικό περιβάλλον και σε εφαρμογές κίνησης όπως είναι τα τροφοδοτικά AC/DC και DC/DC και οι αντιστροφείς DC/AC – inverters, εξετάζοντας τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους, κατασκευαστικές λεπτομέρειες και αρχές μοντελοποίησης τους.
Ως μάθημα ειδικής υποδομής, προσφέρει στο νέο μηχανικό παραγωγής και διοίκησης το υπόβαθρο για την κατανόηση και την υλοποίηση πλήθους εφαρμογών που αφορούν κινητήρια συστήματα και έλεγχο στροφών. Παράλληλα δίνει τη δυνατότητα κατανόησης χρήσης ηλεκτρονικών διατάξεων μετατροπέων ενέργειας για την οδήγηση των κινητήριων συστημάτων. Η συνεπής κι επιτυχής παρακολούθηση του μαθήματος έχει ως προσδοκώμενο αποτέλεσμα να καταστήσει το φοιτητή/φοιτήτρια ικανό/ή για τα εξής:
α) να αναγνωρίζει το είδος μιας ηλεκτρικής μηχανής, να την ταξινομεί και να μπορεί να την τοποθετεί και να τη συνδέει ηλεκτρικά.
β) να γνωρίζει τις βασικές ιδιότητες κάθε είδους ηλεκτρικής μηχανής και να υπολογίζει τη μηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά τους.
γ) να επιλέγει με βάση τεχνολογικά και οικονομικά κριτήρια το βέλτιστο είδος ηλεκτροκίνησης για μια εφαρμογή.
δ) να υπολογίζει την ενεργειακή απόδοση ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος.
ε) να λαμβάνει αποφάσεις σε σχέση με την προληπτική και την κατασταλτική συντήρηση ηλεκτρικών κινητήρων.
στ) Να είναι σε θέση να ταξινομεί του διάφορους μετατροπείς ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους και το είδος της εφαρμογής.
ζ) Να είναι σε θέση να κατανοεί τις βασικές προδιαγραφές λειτουργίας ενός υφιστάμενου (σε χρήση) μετατροπέα ηλεκτρικής ενέργειας και να θέτει τις απαραίτητες προδιαγραφές νέων μετατροπέων αναλόγως της εφαρμογής που θα χρησιμοποιούνται.
η) Να γνωρίζει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας ενός μετατροπέα, τις πιθανές επιπτώσεις της λειτουργίας αυτής στην ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος σε βιομηχανικό περιβάλλον και τους τρόπους αντιμετώπισης των επιπτώσεων αυτών.
θ) Να κατανοεί τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και τη δομή των μετατροπέων, ώστε ει δυνατόν να προβαίνει σε αντικατάσταση μερών ή συντήρηση.
ι) Να κατανοεί τις βασικές αρχές χρήσης των μετατροπέων στον βιομηχανικό έλεγχο διατάξεων τροφοδοσίας ενέργειας και κίνησης.
ια) Να είναι σε θέση να προβεί σε βασική σχεδίαση μετατροπέων, αναλόγως της εφαρμογής.

Γενικές Ικανότητες

Εφαρμογή της γνώσης στην πράξη, αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών. Προσαρμογή σε νέες καταστάσεις. Λήψη αποφάσεων. Αυτόνομη εργασία. Ομαδική εργασία. Εργασία σε διεπιστημονικό περιβάλλον. Σχεδιασμός και διαχείριση έργων. Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης. Καθορισμός προτεραιοτήτων. Παραγωγή νέων ερευνητικών ιδεών. Τήρηση κατευθυντήριων οδηγιών καλής πρακτικής.

Μέθοδοι Διδασκαλίας

Θεωρητική από έδρας διδασκαλία με συζήτηση και ενεργή συμμετοχή των φοιτητών. Οι διαλέξεις του μαθήματος υποστηρίζονται από διαφάνειες παρουσίασης του συνόλου της εκπαιδευτικής ύλης, ενώ ο λευκός πίνακας χρησιμοποιείται:
α) για την εμβάθυνση επιλεγμένων θεματικών ενοτήτων, β) για την προαγωγή της ενεργούς συμμετοχής των φοιτητών στη βήμα-προς-βήμα επίλυση προβλημάτων και παραδειγμάτων εφαρμογής.

Αξιολόγηση Φοιτητών

Ο βαθμός του μαθήματος διαμορφώνεται από γραπτή τελική εξέταση. Η γραπτή τελική εξέταση του θεωρητικού μέρους δύναται να περιλαμβάνει: Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής, επίλυση προβλημάτων εφαρμογής των γνώσεων που αποκτήθηκαν, ερωτήσεις σύντομης απάντησης, συγκριτική αξιολόγηση στοιχείων θεωρίας.

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

Chapman S., «Ηλεκτρικές Μηχανές», ISBN: 978-960-418-741-6, Εκδόσεις Α. Τζιόλα και Υιοί ΑΕ
Fitzgerald, Kinglsey, Umans, «Ηλεκτρικές Μηχανές», ISBN 978-960-330-751-8, Εκδόσεις Γρηγόριος Χρυσοστόμου Φούντας
Βυλλώτας Η. , Μαλατέστας Π. , «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρονικών Ισχύος», ISBN: 978-960-050-9, Εκδόσεις Α. Τζιόλα & Υιοί ΑΕ
Συμπληρωματική προτεινόμενη βιβλιογραφία:
Ι. Κιοσκερίδης, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», ISBN: 978-960-418-522-1, Εκδόσεις Α. Τζιόλα & Υιοί ΑΕ