Màquines Elèctriques

ENGINYERIA INDUSTRIAL
MÀQUINES
ELÈCTRIQUES
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
1
Crèdits: 7.5 ( 3 teoria + 3 aplicació + 1.5 pràctiques)
Crèdits ECTS: 6
Tipus: Optativa
Coordinador: JOAN MONTANYÀ (montanya@ee.upc.es)
Altres Professors:
Departament: Enginyeria Elèctrica
Presentació
Coneixements previs
L’estudiant, en el moment d’afrontar aquesta assignatura, haurà de tenir coneixements de Teoria de
Circuits i d’Electrotècnia, per tal de que es trobi familiaritzat amb la resolució de circuits elèctrics (tant
de corrent contínua com de corrent altern, en les seves versions de monofàsic i trifàsic). Igualment es
desitjable uns bons coneixements del comportament transitori dels circuits elèctrics i mecànics,
preferiblement amb la utilització de les eines matemàtiques habituals, com podrien ésser Laplace i en
el seu cas les equacions d’estat. Una visió prèvia de les màquines elèctriques en la seva versió més
tradicional (règim permanent), també seria altament interessant.
Camps professionals
Les sortides professionals d’un enginyer/a Industrial són molt variades, però quasi bé totes elles
tindran en comú l’utilització de les màquines elèctriques, ja sigui com usuaris de les mateixes, per
automatitzar màquines o processos industrials, ja sigui com a planta a controlar, en el cas de treballar
en el camp de l’electrònica de potència, els variadors de velocitat... Finalment, i com a una de les
recents incorporacions en el camp professional de les màquines elèctriques, no s’ha d’oblidar la
mecatrònica (unió de les tecnologies de control, de les tecnologies de la informació i electròniques, de
la mecànica i de les màquines elèctriques, per a formar un tot, la mecatrònica).
Relació amb altres assignatures
Les Màquines Elèctriques es troben relacionades amb les següents assignatures:
Teoria de Circuits i Sistemes: com a fonamental doncs les màquines elèctriques es representen
mitjançant la teoria de circuits.
Electricitat i Magnetisme: el principi de funcionament de les màquines elèctriques es basen en las
lleis de l’electricitat i el magnetisme.
Electrotècnia: en aquesta assignatura prèvia es presenten algunes de les màquines elèctriques
tractades en regim permanent.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
2
Termotècnia: una de les parts fonamentals per el càlcul i disseny de màquines elèctriques es la part
tèrmica, doncs la major part de les pèrdues en màquines elèctriques so tèmiques.
Assignatures de mècanica: habitualment les màquines elèctriques tindran com a càrrega un sistema
mecànic. La interacció entre ambdós subsistemes (sistema electromecànic), s’haurà d’estudiar com
un tot.
Àlgebra, càlcul i mètodes matemàtics: ens proporcionaran en paral·lel amb l’assignatura, les eines
per poder estudiar i controlar a la màquina elèctrica.
Convertidors electrònics: per a controlar el parell i la velocitat de les màquines elèctriques,
s’utilitzaran les tipologies de circuits, i els semiconductors de potència que s’explicaran en aquesta
assignatura.
Enginyeria de Control: a l’igual que els mètodes matemàtics, ens proporcionarà les eines per a
estudiar el control i la resposta temporal de les màquines elèctriques.
Objectius generals
L’assignatura de Màquines Elèctriques persegueix tres objectius importants:
•
Primerament presentar a l’estudiant la màquina elèctrica de corrent continua la qual no ha
estat tractada en altres assignatures prèvies.
•
Introduir a l’estudiant en els procediments clàssics i actuals de càlcul i construcció de els
màquines elèctriques. Aquest es un aspecte molt important per a un enginyer industrial doncs
a més a més en el càlcul de màquines intervenen d’altres especialitats com la mecànica i la
transferència de calor. A més a més la proliferació d’energies renovables com la eòlica ha fet
avançar a nous dissenys de màquines més eficients per aquest tipus d’aplicacions.
•
Donar als estudiants les eines per a poder simular el comportament transitori de les màquines
elèctriques, i per posteriorment controlar el seu parell i la seva velocitat. D’aquest estudi
l’estudiant haurà d’ésser capaç de seleccionar el tipus de motor/control més adequat per a
cada aplicació, coneixen els seus límits i les seves possibilitats. Igualment, i amb l’ajut de les
assignatures anteriorment esmentades, també ha d’ésser capaç de realitzar un control de tots
i cadascuna de les màquines elèctriques.
•
Finalment i com a producte de les tècniques que s’utilitzen en el control del parell i la velocitat
de les màquines elèctriques, l’estudiant adquirirà habilitats per a treballar en camps
professionals que es troben a la frontera entre l’electrònica, el control i l’enginyeria elèctrica.
Dites tècniques són: la modulació espaial SVPWM, les transformacions de Clarke i de Park
(aplicades al filtrat actiu), tècniques d’estimació de paràmetres... tècniques que totes elles
s’utilitzaran posteriorment en altres assignatures.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
3
Temari
Mòdul 1. Introducció a l’assignatura
(3 h. T, 0 h. P, 0 h. L)
Principis i fonaments.
Materials magnètics, elèctrics i dielèctrics
Parts constructives.
Mòdul 2. La màquina de corrent continua
(5 h. T, 7 h. P, 4 h. L)
Estructura i principi de funcionament.
Característiques del motor en règim permanent.
Modelització i simulació de la màquina de corrent continua.
Arrancada, control del parell i velocitat.
Mòdul 3. Fonaments de càlcul de màquines elèctriques
(7 h. T, 8 h. P, 4 h. L)
Càlcul paramètric.
El circuit magnètic.
Aïllament.
El circuit elèctric.
Tèrmic.
Mòdul 4. Conversió electromecànica
(7.5 h. T, 7.5 h. P, 4 h. L)
Principis de la conversió electromecànica (Energia i Coenergia).
Sistemes electromecànics amb una sola entrada.
Sistemes electromecànics amb varies entrades.
Motors de reluctància i de imants permanents.
Mòdul 5. La màquina AC asíncrona
(7.5 h. T, 7.5 h. P, 2 h. L)
Equacions generals de la màquina d’inducció.
La transformada de Park i Ku.
Model dinàmic de la màquina d’inducció.
Control V/f i control per orientació de camp (FOC).
Objectius específics dels mòduls
n
Mòdul 1
En aquest apartat es pretén situar l’assignatura dins del context de la titulació, centrant-la respecte a
les assignatures de la mateixa i en quan a les seves sortides professionals.
Revisió de tots els conceptes previs esperats per a aquesta assignatura, i presentació de conceptes
generals dels accionaments. Exposició de les característiques comunes entre totes les màquines
elèctriques. En l’àmbit de les energies renovables, concretament l’energia eòlica s’exposarà l’evolució
d’algunes màquines per obtenir una generació més eficient energèticament i de qualitat.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
n
4
Mòdul 2
En aquest mòdul es presentarà a l’alumne la màquina de corrent continua. Fent especial dedicació a
la seva estructura, el seu funcionament en règim transitori i el seu control. S’hauran de presentar
nocions sobre electrònica de potència que l’alumne encara no disposarà i que aquí s’introduiran
breument. Igualment aquest mòdul s’utilitzarà per a introduir conceptes més generals del control de
parell i velocitat de les màquines elèctriques, que s’aniran repetint al llarg dels següents mòduls.
Aquests conceptes són bàsicament: bucles d’intensitat/parell i velocitat, amb els seus elements
característics (reguladors, habitualment PID’s, limitacions, realimentacions i sensors utilitzats per a les
mateixes, tant d’intensitat com de velocitat angular,...).
n
Mòdul 3
En aquest mòdul s’introduirà la metodologia per el càlcul i disseny de les màquines elèctriques.
Encara que es seguirà el mètode clàssic de càlcul es presentaran i s’utilitzaran noves eines de càlcul i
simulació basades en mètodes d’elements finits.
n
Mòdul 4
Prèviament a l’anàlisi del comportament dinàmic de les màquines elèctriques s’introdueix la conversió
electromècanica. La conversió electromècanica formula i representa el comportament de petits
sistemes electromecànics els quals formen la base per poder comprendre la formulació i
representació del model dinàmic de les màquines elèctriques.
També es presenten altres tipus de màquines com ara els motors d’imants permanents (Brushless),
motors de reluctància, etc...
n
Mòdul 5
Finalment en aquest mòdul s’introduirà el motor de més difusió a la indústria com és el motor
d’inducció. El comportament en regim permanent d’aquest motor ja ha estat analitzat en assignatures
prèvies, en aquest mòdul es tracte el seu comportament dinàmic. També es presenten els
accionaments per el control de velocitat i parell d’aquests tipus de motors.
Metodologia de treball
Sessions teoria, problemes
Les sessions de teoria es realitzaran com a classe magistral, en les sessions de problemes quan el
desenvolupament de la teoria.
Pràctiques, laboratoris
Es realitzaran 6 sessions de pràctiques de dues hores cadascuna:
n Pràctica 1: La màquina de corrent continua (C.C.)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
5
n Pràctica 2: Caracterització i accionament de la màquina de CC.
n Pràctica 3: Simulació d’una ranura amb elements finits.
n Pràctica 4: Simulació d’una apart de l’aïllament del bobinat d’un transformador.
n Pràctica 5: Simulació d’un contactor o d’un motor de reluctancia mitjançant elements finits (I).
n Pràctica 6: Simulació d’un contactor o d’un motor de reluctancia mitjançant elements finits (II).
n Pràctica 7: Accionament del motor d’inducció amb un variador de freqüència.
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
1. Introducció
2. Repàs de conceptes
3. La màquina de corrent continua
4. Càlcul i disseny de màquines elèctriques
5. Comportament dinàmic de màquines elèctriques
6. La màquina d’inducció
Temps de
Classe
1h
2h
12 h
15 h
15 h
15 h
Temps
d’estudi
0.15 h
1h
4h
6h
6h
6h
Temps
total
1.15 h
3h
16 h
21 h
21 h
21 h
Materials
Bibliografia bàsica
Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Mc. Graw Hill (2000)
Vas, P., Sensorless vector and Direct Torque Control, Oxford University Press (1998)
Leonard, W., Control of electrical drives , Ed. Springer (1997)
Corrales Martin, J. Cálculo industrial de máquinas eléctricas (Tomo I), Ed. MarcomboBoixareu (1982)
Corrales Martin, J. Cálculo industrial de máquinas eléctricas (Tomo II), Ed. MarcomboBoixareu (1982)
Cathey J.J., Máquinas eléctricas - Análisis y diseño aplicando Matlab, McGraw Hill (2002)
Bibliografia complementària
Novotny, D. W., Lipo, T. A, Vector Control and dynamics of AC Drives, Oxford Science Publications
(1996)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25093 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Bose, B. K., Modern power electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR (2002)
Avaluació
N f = 0.4N1p + 0.4Nef + 0.2Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota examen parcial
Nef : Nota examen final
Nep : Nota Pràctiques assignatura
6