Automatyka napędu elektrycznego

Znajomość podstaw elektrotechniki, automatyki, teorii sterowania oraz maszyn elektrycznych

przedmiot fakultatywny

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli (60 godz.):

- udział w wykładach – 30 godz.

- udział w laboratorium – 30 godz.

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta (70 godz.):

- przygotowanie do wykładu – 10 godz.

- przygotowanie do laboratorium – 30 godz.

- przygotowanie do egzaminu – 30 godz.

Łącznie: 130 godz. (5 ECTS)

W1 – zna budowę napędu elektrycznego oraz potrafi wymienić podstawowe komponenty wchodzące w jego skład – K_W05

W2 – orientuje się w trendach rozwojowych mikroprocesorów oraz modułów mocy stosowanych w napędach elektrycznych – K_W04, K_W10

W3 – zna podstawowe parametry oraz wielkości opisujące układ napędowy – KW05, K_W03

W4 – ma uporządkowaną wiedzę dotyczącą własności napędów elektrycznych z silnikami prądu stałego i przemiennego – K_W05

W5 – orientuje się w metodach sterowania momentem i prędkością silników elektrycznych – K_W05

W6 – zna rodzaje regulatorów stosowanych w napędach elektrycznych oraz metody strojenia – K_W09, K_W05

W7 – zna podstawowe metody estymacji zmiennych stanu stosowane w sterowaniu bezczujnikowym – K_W09

U1 – potrafi dobrać napęd elektryczny do zadanych kryteriów użytkowych i wymagań eksploatacyjnych – K_U01, K_U08, K_U13

U2 – umie zaproponować strukturę regulacji zapewniającą uzyskanie pożądanej jakości regulacji położenia, prędkości kątowej oraz momentu elektromagnetycznego silnika – K_U10, K_U12

U3 – potrafi zastosować właściwe kryterium doboru nastaw (modułowe optimum, symetryczne optimum, sterowanie z modelem wewnętrznym, optymalizacja liniowo-kwadratowa, lokowanie biegunów) regulatorów stosowanych w napędach elektrycznych (PID, regulator od stanu, regulator histerezowy) – K_U08,

U4 – potrafi określić rodzaj zastosowanej metody sterowania napędem elektrycznych na podstawie dokumentacji – K_U01

U5 - umie zaimplementować model obwodowy napędu elektrycznego w środowisku Matlab/Simulink - K_U07

U6 - potrafi przeprowadzić proces syntezy regulatorów prądu, prędkości i położenia kątowego w środowisku Matlab/Simulink - K_U07

K1 – zna ograniczenia związane ze stosowaniem poszczególnych napędów elektrycznych w środowisku przemysłowym – K_K06

Metoda dydaktyczna podająca:

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

Metoda dydaktyczna poszukująca:

- laboratoryjna

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- laboratoryjna

Celem zajęć jest przekazanie studentom podstawowej wiedzy z zakresu automatyki napędów elektrycznych wyposażonych w silniki prądu stałego i przemiennego.

Wykład obejmuje zagadnienia związane z modelowaniem i właściwościami silników elektrycznych.

Omówione zostaną metody syntezy układów regulacji stosowanych w napędach elektrycznych.

W ramach laboratorium studenci przeprowadzą proces syntezy i analizy algorytmów sterowania wielkościami elektrycznymi i mechanicznymi dla silnika prądu stałego i przemiennego.

Wykład obejmuje:

1. Wstęp:

- Podstawowe pojęcia stosowane w automatyce napędu elektrycznego

- Przegląd struktur regulacji stosowanych w napędach DC i AC

- Zastosowania napędów elektrycznych

2. Napędy prądu stałego

- Modele matematyczne maszyn prądu stałego

-- równania różniczkowe

-- transmitancja operatorowa

-- równania stanu

- Kaskadowe struktury regulacji

-- synteza regulatora prądu typu PI

-- synteza regulatora prądu typu IMC

-- anty-windup

-- synteza regulatora prędkości typu PI

-- dyskretyzacja regulatora typu PID

- Regulator od stanu

-- synteza regulatora metodą lokowania biegunów

-- synteza regulatora metodą optymalizacji liniowo-kwadratowej

-- wprowadzenie sygnału referencyjnego

-- dyskretyzacja regulatora ze sprzężeniem od wektora stanu

- estymacja zmiennych stanu w napędzie z silnikiem DC

3. Struktury sterowania napędów z PMSM

-- sterowanie składowymi prądu stojana

-- sterowanie momentem i strumieniem

- struktury sterowania prędkością PMSM

-- regulator PI

-- regulator odporny

- struktury sterowania położeniem PMSM

-- regulator odporny

-- regulator ze sprzężeniem od wektora stanu

- estymacja zmiennych stanu w napędzie z PMSM

Laboratorium obejmuje:

- Modelowanie serwonapędu z silnikiem prądu stałego

- Wyznaczanie parametrów modelu na podstawie odpowiedzi skokowej

- Dobór nastaw regulatora prądu silnika DC przy użyciu kryterium modułowego optimum oraz sterowania z modelem wewnętrznym

- Dobór nastaw regulatora prędkości przy użyciu kryterium symetrycznego optimum

- Dobór nastaw regulatora położenia

- Wprowadzenie sprzężenia wprzód

- Dobór nastaw regulatora bazującego na sprzężeniu od wektora zmiennych stanu

- Projektowanie obserwatora momentu obciążenia

- Modelowanie silnika synchronicznego o magnesach trwałych

- Wyznaczanie parametrów modelu na podstawie odpowiedzi skokowej

- Opracowanie polowo-zorientowanej struktury regulacji

- Dobór nastaw regulatorów składowych wektora przestrzennego prądu

- Dobór nastaw regulatora prędkości

Literatura podstawowa:

1. K. Zawirski, J. Deskur, T. Kaczmarek. Automatyka napędu elektrycznego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2012

2. L.M. Grzesiak, A. Kaszewski, B. Ufnalski, Sterowanie napędów elektrycznych, Warszawa 2016

3. M.P. Kaźmierkowski, F. Blaabjerg, R. Krishnan, Control in power electronics – selected problems, Elsevier, 2002

Literatura uzupełniająca:

1. S.N. Vukosavic, Digital control of electrical drives, Springer, 2007

2. T. Orłowska-Kowalska: Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wyd. Pol. Wrocławskiej, 2003

3. L.M. Grzesiak, T. Tarczewski, PMSM servo-drive control system with a state feedback and a load torque feedforward compensation, Compel, 2013

4. R. Szczepanski, M. Kaminski, T. Tarczewski, Auto-tuning process of state feedback speed controller applied for two-mass system, Energies, 2020

5. Ł.J. Niewiara, R. Szczepański, T. Tarczewski, L.M. Grzesiak, State Feedback Speed Control with Periodic Disturbances Attenuation for PMSM Drive, Energies, 2021

Metody oceniania:

egzamin pisemny – W1, W3÷W7, U2, U3

laboratorium – U2, U3, U5, U6

Kryteria oceniania:

Wykład: egzamin pisemny zawierający pytania otwarte

ndst: < 51%

dst: 51% ÷ 60%

dst plus: 61% ÷ 70%

db: 71% ÷ 80%

db plus: 81% ÷ 90%

bdb: > 90%

Warunkiem umożliwiającym pisanie egzaminu jest uzyskanie pozytywnej oceny z laboratorium.

Kryteria oceniania:

Laboratorium: ocena na podstawie wejściówek (3 x 3 pkt.) oraz realizacji zadania projektowego (1 x 9 pkt.).

ndst: < 51%

dst: 51% ÷ 60%

dst plus: 61% ÷ 70%

db: 71% ÷ 80%

db plus: 81% ÷ 90%

bdb: > 90%

nie dotyczy