Màquines Elèctriques

ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
MÀQUINES
ELÈCTRIQUES
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
29503 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
1
Crèdits: 6 ( 4.5 teoria + 1.5 pràctiques)
Crèdits ECTS: 4,8
Tipus: Troncal
Coordinador: Joan Montanyà (montanya@ee.upc.edu)
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 en Automàtica i Electrònica 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:
Sistemes mecànics: 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.
Mètodes matemàtics: ens proporcionaran en paral·lel amb l’assignatura, les eines per poder estudiar
i controlar a la màquina elèctrica.
Electrònica Industrial: 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 Bàsica: a l’igual que els mètodes matemàtics, ens proporcionarà les eines
per a estudiar el control i la resposta temporal de les màquines elèctriques.
ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
29503 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
2
Modelat i simulació: les màquines elèctriques i el seu control són sistemes complexos, regits per
equacions diferencials no lineals i que únicament poden ésser estudiades mitjançant eines de
simulació.
Sistemes electrònics digitals i Aplicacions industrials amb DSP: proporcionaran els
coneixements per a poder implementar d’una forma eficient i actualitzada les lleis de control i
algorismes necessaris per a poder controlar el parell i la velocitat de les màquines elèctriques.
Optimització i Control Òptim i Enginyeria de Control Avançada: proporcionaran les eines per a
realitzar algorismes de control més complexos, permeten prestacions no tradicionals dels controls de
parell i velocitat de la màquina elèctrica (controls sensorless, amb autoadaptació dels paràmetres,
controls no lineals,...)
Objectius generals
L’assignatura de Màquines Elèctriques persegueix tres objectius importants:
•
Primerament presentar a l’estudiant les diferents màquines elèctriques existents, fent-ne una
descripció constructiva i donant unes guies per a la seva selecció i instal·lació.
•
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.
Temari
El temari de l’assignatura s’ha dividit en 6 grans temes que tot seguit es detallen. De les 60 hores de
l’assignatura, s’han considerat que 10 de les mateixes es dedicarien a exàmens parcials (2), repàs
prev(4) i posterior (2) a l'examen, més algun possible dia que sigui festa (2).
1. Introducció a l’assignatura
2. Generalitat de les màquines elèctriques.
2.1. Les lleis físiques de les màquines elèctriques.
2.2. Materials constituents de les màquines elèctriques.
2.3. Quadrants de funcionament.
2.4. La conversió electromecànica.
3. La màquina de corrent continua.
3.1. Estructura i principi de funcionament.
3.2. Característiques del motor en règim permanent.
3.3. Modelització i simulació de la màquina de corrent continua.
3.4. Arrancada, control del parell i velocitat.
(1 h. T, 0 h. P, 0 h. L)
(2.5 h. T, 0.5 h. P, 0 h. L)
(4 h. T, 2 h. P, 5 h. L)
ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
29503 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
4. Màquines de corrent alterna.
4.1. Bobines de distribució senoidal.
4.2. Anàlisi de fourier de la distribució espaial de camp.
4.3. Creació de camps giratoris. Estudi del camp monofàsic.
4.4. Efecte dels harmònics de camp e intensitat.
5. El motor brushless (Motor síncron d’imans permanents).
5.1. La màquina síncrona
5.2. Transformació de Park.
5.3. Modelització, control de parell i velocitat del motor Bushless AC
3
(4 h. T, 0.5 h. P, 1 h. L)
(5 h. T, 5 h. P, 3 h. L)
6. Motor d’inducció.
(8 h. T, 5 h. P, 3 h. L)
6.1. Estructura i principi de funcionament.
6.2. Esquema equivalent en règim permanent.
6.3. Corbes característiques.
6.4. Modelització i simulació del motor d’inducció en règim transitori. Transformació de Park.
6.5. 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.
n
Mòdul 2
Revisió de tots els conceptes previs esperats per a aquesta assignatura, i presentació de conceptes
generals dels accionaments. Exposició de les característiques comuns de totes les màquines
elèctriques.
n
Mòdul 3
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 4
En aquest mòdul s’introduirà l’estructura constructiva dels debanats d’alterna (tant per al motor
d’inducció com per al motor síncron). Igualment es presentaran eines d’estudi com la descomposició
de magnituds físiques en referències ortogonals (fixes o variables en el temps), descomposicions que
posteriorment s’utilitzaran per a presentar la transformació de Park en el següent mòdul.
n
Mòdul 5
Aquest mòdul versa sobre el motor síncron d'imants permanents, també conegut com a motor
brushless AC. Seguint la mateixa estructura que pel cas de la màquina de corrent continuo, a més a
més s’introduirà l’important concepte de la transformació de Park. També s'exposarà el funcionament
de la màquina síncrona com el generador per excel·lència.
ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
29503 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
n
4
Mòdul 6
Finalment en aquest mòdul s’introduirà el motor de més difusió a la indústria com és el motor
d’inducció. Es seguirà la mateixa estructura que en el mòdul 3, i seguint amb el darrer tema del mòdul
5, s’introduirà el concepte del control per orientació de camp del motor asíncron o d’inducció.
Metodologia de treball
Les sessions de teoria es realitzaran com a classe magistral, i s’intercalaran les sessions de
problemes quan el desenvolupament de la teoria així ho demani.
Pràctiques, laboratoris
Es realitzaran 6 sessions de pràctiques de dues hores cadascuna. L’enunciat de les mateixes és el
següent:
1.
2.
3.
4.
5.
Caracterització de la màquina de CC.
Control del parell i de la velocitat de la màquina de CC.
Simulació del control del motor de CC (Simulink)
Simulació del Control del motor brushless (Simulink)
Determinació dels paràmetres de l’esquema equivalent del motor d’inducció. Alimentació
monofàsica d’un motor d’inducció trifàsic.
6. Control per orientació de camp i Direct Torque Control (DTC) d’ABB.
Materials
Bibliografia bàsica
Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Mc. Graw Hill (2000).
Llibre bàsic per a l’estudi més tradicional de les màquines elèctriques. Principalment la seva
classificació, l’estudi del seu comportament i la seva selecció e instalació.
Vas, P., Sensorless vector and Direct Torque Control, Oxford University Press (1998).
Llibre bàsic per a la modelització en règim transitori dels motors d’inducció i brushless. Igualment
essencial per a comprendre el seu control amb i sense realimentació de velocitat.
Cathey J.J., Máquinas eléctricas - Análisis y diseño aplicando Matlab, McGraw Hill (2202).
Llibre bàsic per la modelització de màquines elèctriques ja sigui el funcionament com càlculs
constructius.
ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
29503 Màquines Elèctriques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Bibliografia complementària
Novotny, D. W., Lipo, T. A, Vector Control and dynamics of AC Drives, Oxford Science
Publications (1996)
Bose, B. K., Modern power electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR (2002)
Avaluació
n
Examen final de la assignatura: 50 %
n
Examen parcial de l’assignatura: 20 %
n
Pràctiques de l’assignatura: 30 %
5