Elektrické servopohony (FSI-RES)

Akademický rok 2021/2022
Garant: doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je seznámit studenty s principy a aplikacemi různých typů elektrických pohonů, návrhovými metodami a aplikacemi pohonů se stejnosměrnými motory, asynchronními motory, elektronicky komutovanými motory, synchronními stroji s permanentními magnety, spínanými reluktančními a krokovými motory. Dalším důležitým cílem je seznámení s konkrétními technickými obtížemi souvisejícími s návrhem a realizací pohonů.
Výstupy studia a kompetence:
Po absolvování předmětu studenti umí:
- Nakreslit schémata silových částí tyristorových řízených usměrňovačů a vysvětlit ve kterých kvadrantech jsou schopny pracovat.
- Sestavit matematický model tyristorového řízeného usměrňovače a definovat požadavky na odpovídající adaptivní regulátor proudu.
- Vysvětlit princip, nakreslit náhradní schéma a momentovou charakteristiku a popsat vlastnosti asynchronního motoru z pohledu řízení otáček.
- Nakreslit blokové schéma a vysvětlit princip skalárního řízení asynchronního motoru
- Nakreslit blokové schéma jakéhokoliv druhu vektorového řízení asynchronního motoru
- Ideově popsat postup návrhu synchronního motoru s permanentními magnety
- Nakreslit blokové schéma a vysvětlit princip vektorového řízení synchronního motoru s permanentními magnety
- Vysvětlit princip spínaného reluktančního motoru, popsat jeho vlastnosti a nakreslit blokové schéma odpovídající regulační struktury
- Popsat všechny druhy rušivých vazeb v elektrických zařízeních a stanovit postup jak tyto nežádoucí efekty omezit
Prerekvizity:
Student musí umět :
- aplikovat diferenciální rovnice pro popis elektromechanických systémů jak v časové oblasti, tak v operátorovém tvaru
- Ovládat matematický popis motorů na základě jejich náhradních schémat
- navrhnout kaskádní regulační strukturu
- ovládat softwarový nástroj MATLAB SIMULINK
- studenti musí být přezkoušeni podle vyhlášky 50
Obsah předmětu (anotace):
1.)Tranzistorové pohony se stejnosměrným motorem – cílem je zopakovat a upevnit dovednosti získané v předchozích bakalářských kursech, frekvenční přenos DC motoru, přenos měniče, přenos všech potřebných čidel, syntéza regulačních smyček proudu a rychlosti.

2.) Zjednodušený návrh EC motoru - Vysvětlení zjednodušeného postupu při návrhu EC motoru, s ohledem na možnosti polovodičového měniče, dimenzování měniče a popis jeho řídicí struktury s přehledem možností její realizace

3.) Řízení pohonů s EC motory a s harmonickými synchronními i motory s permanentními magnety na rotoru - Popis konstrukčního provedení synchronního stroje vzhledem ke způsobu jeho napájení (EC motor/harmonický stroj), přehled variant řídicích algoritmů pro harmonické stroje, popis syntézy rychlostní a polohové regulační smyčky

4.) Pohony s asynchronními motory - odvození statické charakteristiky z náhradního schematu, řízení rychlosti skalární a vektorové 

5.) Měniče pro napájení třífázových strojů, druhy meziobvodů, aktivní usměrňovače - Vysvětlení možností realizace měničů pro třífázové stroje, vysvětlení měniče s napěťovým a proudovým meziobvodem

6.) Trakční pohony s asynchronními motory, specifika pohonů na malé napětí - Ukázka návrhu nízkonapěťového pohonu s asynchronním motorem, vysvětlení řídicího algoritmu pro trakční účely

7.) Pohony s tyristorovými řízenými usměrňovači, reverzační zapojení - Popis zapojení všech běžných typů řízených usměrňovačů s přehledem jejich běžných průmyslových aplikací. Vysvětlení pojmu okruhový proud, řídicí obvody pro tyristorové řízené usměrňovače 

8.) Trakční pohon se stejnosměrným strojem, kombinovaná regulace napětím kotvy a buzením - Vysvětlení funkce kombinované regulace se zvláštním důrazem na trakční aplikace, syntéza regulačních smyček

9.) Užití ultrakapacitorů v elektrické trakci - Popis možností ultrkapacitorů s ukázkou aplikace kondenzátorové baterie v trakčním systému, vysvětlení řídicích a regulačních obvodů ultrakapacitorů.

10.) Polohové řízení servopohonů, snímače polohy a rychlosti v elektrických pohonech - Syntéza rychlostní a polohové smyčky elektrického pohonu, popis čidel využívaných v pohonech.

11.) Pohony se spínaným reluktančním motorem - Vysvětlení principu reluktančního motoru, specifika jeho použití, otázka volby počtu fází, měniče pro SRM, řídicí algoritmy pro SRM,

12.) Krokové motory přehled všech používaných typů krokových motorů - vysvětlení způsoby jejich řízení, měniče pro krokové motory, průmyslové aplikace krokových motorů.

13.) Rušení v zařízeních silnoproudé elektrotechniky - Vysvětlení pojmu elektromagnetická kompatibilita, mechanismus vzniku parazitních rušivých vazeb v zařízení výkonové elektroniky, doporučení pro projektování zařízení odolných proti rušení.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:

Předmět je hodnocen na základě písemné zkoušky za 100 bodů, která obsahuje teoretickou i výpočtovou část. 

Teoretická část je hodnocena 50 body a výpočtová část 50 body. 

 
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast ve cvičeních povinná, zameškanou výuku je možné nahradit domácím úkolem
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení  13 × 1 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Tranzistorové pohony se stejnosměrným motorem – cílem je zopakovat a upevnit dovednosti získané v předchozích bakalářských kursech, frekvenční přenos DC motoru, přenos měniče, přenos všech potřebných čidel, syntéza regulačních smyček proudu a rychlosti.
2. Zjednodušený návrh EC motoru. Vysvětlení zjednodušeného postupu při návrhu EC motoru, s ohledem na možnosti polovodičového měniče, dimenzování měniče a popis jeho řídicí struktury s přehledem možností její realizace
3. Řízení pohonů s EC motory a s harmonickými synchronními i motory s permanentními magnety na rotoru. Popis konstrukčního provedení synchronního stroje vzhledem ke způsobu jeho napájení (EC motor/harmonický stroj), přehled variant řídicích algoritmů pro harmonické stroje, popis syntézy rychlostní a polohové regulační smyčky.
4. Pohony s tyristorovými řízenými usměrňovači, reverzační zapojení. Popis zapojení všech běžných typů řízených usměrňovačů s přehledem jejich běžných průmyslových aplikací. Vysvětlení pojmu okruhový proud, řídicí obvody pro tyristorové řízené usměrňovače
5. Trakční pohon se stejnosměrným strojem, kombinovaná regulace napětím kotvy a buzením Vysvětlení funkce kombinované regulace se zvláštním důrazem na trakční aplikace, syntéza regulačních smyček
6. Měniče pro napájení třífázových strojů, druhy meziobvodů, aktivní usměrňovače. Vysvětlení možností realizace měničů pro třífázové stroje, vysvětlení měniče s napěťovým a proudovým meziobvodem.
7. Trakční pohony s asynchronními motory, specifika pohonů na malé napětí. Ukázka návrhu nízkonapěťového pohonu s asynchronním motorem, vysvětlení řídicího algoritmu pro trakční účely.
8. Užití ultrakapacitorů v elektrické trakci. Popis možností ultrkapacitorů s ukázkou aplikace kondenzátorové baterie v trakčním systému, vysvětlení řídicích a regulačních obvodů ultrakapacitorů.
9. Polohové řízení servopohonů, snímače polohy a rychlosti v elektrických pohonech. Syntéza rychlostní a polohové smyčky elektrického pohonu, popis čidel využívaných v pohonech.
10. Pohony se spínaným reluktančním motorem. Vysvětlení principu reluktančního motoru, specifika jeho použití, otázka volby počtu fází, měniče pro SRM, řídicí algoritmy pro SRM,
11. Krokové motory přehled všech používaných typů krokových motorů, vysvětlení způsoby jejich řízení, měniče pro krokové motory, průmyslové aplikace krokových motorů.
12. Rušení v zařízeních silnoproudé elektrotechniky, vysvětlení pojmu elektromagnetická kompatibilita, mechanismus vzniku parazitních rušivých vazeb v zařízení výkonové elektroniky, doporučení pro projektování zařízení odolných proti rušení
    Cvičení 1. Tranzistorové pohony se stejnosměrným motorem – cílem je zopakovat a upevnit dovednosti získané v předchozích bakalářských kursech, frekvenční přenos DC motoru, přenos měniče, přenos všech potřebných čidel, syntéza regulačních smyček proudu a rychlosti.
2. Zjednodušený návrh EC motoru. Vysvětlení zjednodušeného postupu při návrhu EC motoru, s ohledem na možnosti polovodičového měniče, dimenzování měniče a popis jeho řídicí struktury s přehledem možností její realizace
3. Řízení pohonů s EC motory a s harmonickými synchronními i motory s permanentními magnety na rotoru. Popis konstrukčního provedení synchronního stroje vzhledem ke způsobu jeho napájení (EC motor/harmonický stroj), přehled variant řídicích algoritmů pro harmonické stroje, popis syntézy rychlostní a polohové regulační smyčky.
4. Pohony s tyristorovými řízenými usměrňovači, reverzační zapojení. Popis zapojení všech běžných typů řízených usměrňovačů s přehledem jejich běžných průmyslových aplikací. Vysvětlení pojmu okruhový proud, řídicí obvody pro tyristorové řízené usměrňovače
5. Trakční pohon se stejnosměrným strojem, kombinovaná regulace napětím kotvy a buzením Vysvětlení funkce kombinované regulace se zvláštním důrazem na trakční aplikace, syntéza regulačních smyček
6. Měniče pro napájení třífázových strojů, druhy meziobvodů, aktivní usměrňovače. Vysvětlení možností realizace měničů pro třífázové stroje, vysvětlení měniče s napěťovým a proudovým meziobvodem.
7. Trakční pohony s asynchronními motory, specifika pohonů na malé napětí. Ukázka návrhu nízkonapěťového pohonu s asynchronním motorem, vysvětlení řídicího algoritmu pro trakční účely.
8. Užití ultrakapacitorů v elektrické trakci. Popis možností ultrkapacitorů s ukázkou aplikace kondenzátorové baterie v trakčním systému, vysvětlení řídicích a regulačních obvodů ultrakapacitorů.
9. Polohové řízení servopohonů, snímače polohy a rychlosti v elektrických pohonech. Syntéza rychlostní a polohové smyčky elektrického pohonu, popis čidel využívaných v pohonech.
10. Pohony se spínaným reluktančním motorem. Vysvětlení principu reluktančního motoru, specifika jeho použití, otázka volby počtu fází, měniče pro SRM, řídicí algoritmy pro SRM,
11. Krokové motory přehled všech používaných typů krokových motorů, vysvětlení způsoby jejich řízení, měniče pro krokové motory, průmyslové aplikace krokových motorů.
12. Rušení v zařízeních silnoproudé elektrotechniky, vysvětlení pojmu elektromagnetická kompatibilita, mechanismus vzniku parazitních rušivých vazeb v zařízení výkonové elektroniky, doporučení pro projektování zařízení odolných proti rušení
Literatura - základní:
1. Skalický, Jiří: Elektrické servopohony skripta VUT v Brně, FEKT, 2001
2. Pavelka, J., Čeřovský, Z., Javůrek, J.: Elektrické pohony, skripta ČVUT Praha, 1996
3. Caha, Z., Černý, M.: Elektrické pohony SNTL Praha, 1990
4. Leonhard, W.: Control of Electrical Drives Springer, Berlin 1996
Literatura - doporučená:
1. Souček, P. : Pohony výrobních zařízení. Servomechanizmy
2. Bělohoubek, P. : Elektrické servomechanizmy a jejich řízení
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 7 Povinný 2 2 Z