NAPĘD ELEKTRYCZNY wprawianie w kontrolowany ruch maszyn, urządzeń, konstrukcji itp..( motion control ) F a = dv/dt = F/m F - siła, m - masa v - prędkość Fizyka ruch ciała stałego skąd pochodzi energia??? abstrakcja Technika - Napęd ruch konkretnego obiektu zapewnienie dostarczenia energii. jak wytworzyć siłę napędową F napęd? praktyka dv/dt = (F napęd + F opór )/m jak wytworzyć siłę napędową? 1
NAPĘD ELEKTRYCZNY WSTĘP Maszyna robocza Napęd Elektryczny Wprowadzenie do napędu 2
Wydział Elektryczny PW Instytut Instytut Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Instytut Zakład Sterowania Zakład Napędu Elektrycznego Zakład Elektroniki Przemysłowej PLC DSP IGBT HF...C Zakład Napędu Elektrycznego (Electrical Drive Division) 3
NAPĘD ELEKTRYCZNY wykład 15 godz. PLC DSP IGBT HF...C INSTYTUT STEROWANIA I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej (ISEP) Przyziemie sale 015-018 oraz 4 piętro pokoje 401-407 Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Koczara wlodzimierz.koczara@ee.pw.edu.pl www:isep.pw.edu.pl/zakład napędu Gmach Elektrotechniki pokój 405/406 22 234 7362 Sekretariat E406 czynny w godz. 9 16 Barbara Borowska Barbara.Borowska@ee.pw.edu.pl 4
Zakład Napędu Elektrycznego Pracownicy Zakładu Doc. dr Krzysztof Duszczyk Informatyka Przemysłowa Inteligentny Budynek Dr Remigiusz Olesiński Informatyka Przemysłowa, Sterowniki PLC Doc. dr Jerzy Przybylski Sterownie napędów elektrycznych Dr Zbigniew Szulc Napędy dużej mocy zastosowania przemysłowe Young generation Dr Bartłomiej Kamiński przekształtniki dc/ac mikroporcesory DSP, FPGA Dr Bartłomiej Ufnalski Regulatory z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych Dr Grzegorz Iwański Niekonwencjonalne/odnawialne źródła energii, napęd elektryczny wykład z napędu Dr Arkadiusz Kaszewski Regulatory sztuczne sieci neuronowe Dr Janusz Wiśniewski Kierownik Laboratorium Napędu- regulacja silników bezszczotkowych, kompensatory mocy biernej +17 Doktorantów 5
Zakład Napędu Elektrycznego - Profesorowie Prof. dr hab. Włodzimierz Koczara Przetwarzanie i przekształcanie energii, napędy, niekonwencjonalne układy wytwarzania energii Patenty VSIG i inne http://v3.espacenet.com/searchresults?bookmarkedresults=true&submitted=true&db=epod OC&locale=en_gb&IA=Koczara+Wlodzimierz&sf=q&CY=gb&LG=en&&st=IA&kw=Koczara+Wlodz imierz&submit=search&=&=&=&=&=&pgs=20&first=21 Wdrożenia (VSIG) http://www.cumminsgeneratortechnologies.com/en/products/stamford/vsig/ Prof. hab. Lech Grzesiak (Dziekan Wydziału Elektrycznego) Napędy z maszynami indukcyjnymi, rozwój sztucznych sieci neuronowych do sterownia napędu i innych systemów, źródła zasilania 6
Pracownicy Zakładu Napędu Elektrycznego mają również szerokie doświadczenie w zakresie konstrukcji i współpracy z przemysłem. Przykładem jest wieloletnia współpraca z firmą Cummins Generator Technologies - Stamford Wielkiej Brytania. Opracowano i wdrożono do produkcji niekonwencjonalny układ wytwarzania energii elektrycznej z zespołem prądotwórczym o regulowanej prędkości. Nowość na skalę światową. W projekcie tym realizowanym pod moim kierunkiem brali udział dyplomanci i doktoranci. Urządzenie nazwano VSIG (Variable Speed Integrated Generator) Obecnie w Cummins Generator Technologies technikę tę rozwija w dalszym ciągu wielu członków zespołu wdrażającego. Adres http://www.cumminsgeneratortechnologies.com/en/products/stamford/vsig/ 7
Napęd Elektryczny? Cel wykładu: Wprowadzenie do techniki napędu elektrycznego jako dziedziny stymulującej rozwój techniki Wprowadzenie do techniki światowej (w dziedzinie przetwarzania i użytkowania ENERGII) 8
Zaliczenie przedmiotu: Zaliczenie wykładu na podstawie pisemnej pracy: 55 minut dn. (zapisy sekretariat 22 2347362 e-mail Barbara.Borowska@ee.pw.edu.pl ) Termin będzie ustalony przed zakończeniem wykładów. Zasady zaliczenia i program laboratorium będą podane na zajęciach laboratoryjnych Zajęcia laboratoryjne są równoległym tokiem nowoczesnego kształcenia (nie są, z założenia, ilustracją wykładu). 9
NAPĘD ELEKTRYCZNY Literatura???? Podręcznik Wprowadzenie do napędu elektrycznego Włodzimierz Koczara Wykład ma specjalny program. Zawiera syntezę wielu dziedzin. Będą też udostępnione pdf plansze z wykładu Zalecane jest rysowanie schematów to daje lepsze wchłonięcie materiału oraz ułatwi zdanie egzaminu?? PLC DSP IGBT HF...C INSTYTUT STEROWANIA I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁAD NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO 10
NAPĘD ELEKTRYCZNY PROGRAM PRZEDMIOTU 1.Wiadomości wstępne 2. Budowa (architektura) prostego napędu 3.Podstawowe zależności w napędzie 4.Charakterystyka maszyn roboczych 5.Napędy DC (prądu stałego) 6.Napędy z maszynami indukcyjnymi (AC) 7.AC (DC) bezszczotkowe napędy z maszynami PM 8.Układy napędowe 9.Wpływ napędu na rozwój techniki 11
Metoda wykładu Wiedza podstawowa wzbogacona ilustracjami obiektów rzeczywistych dω(t)/dt = [T d (t) +T l (t)] / J to ω - prędkość kątowa, T d moment napędowy, T l - moment obciążenia, J to moment bezwładności Napęd elektryczny statku 12
Aplikacje sterujące dla różnych maszyn roboczych Aplikacje fabryczne All-in-One Aplikacje specjalne NX program systemowy NX HARDWARE 13
Historia rozwoju napędu - historia rozwoju techniki Energia/moc są przekazywane wałem i wieloma przekładniami koła zębate i pasowe Przekształtnik mechaniczny Maszyna parowa Maszyna robocza Taka konstrukcja wymaga wielkich ilości stali, przestrzeni, wymaga ciągłej obsługi oraz ma niską sprawność energetyczną 14
Taka konstrukcja wymaga wielkich ilości stali i miejsca 15
Wirówki cukrownicze z epoki centralnej maszyny parowej 16
Genialny wynalazek generatora i silnika elektrycznego zmienił w sposób rewolucyjny technikę napędu i technikę produkcji Generator synchroniczny Silnik indukcyjny 17
Silnik napędowy: parowy, wodny, wiatrowy GENERATOR Energia elektryczna jako uniwersalny pośrednik w przekazywaniu energii od źródła do odbiornika - pierwszy etap rozwoju Transport energii elektrycznej nie wymaga dużo miejsca i może być realizowany przewodem o dowolnym kształcie ułożenia -dało to wielkie oszczędności miejsca w halach fabrycznych zasilanie z tego samego źródła energii SILNIK ELEKTRYCZNY MASZYNA ROBOCZA 18
wirówki cukrownicze z prostym napędem elektrycznym Lata 60-te ubiegłego wieku 19
Genialny wynalazek przekształtnika energoelektronicznego zmienił w sposób rewolucyjny technikę użytkowania energii, technikę napędu i technikę produkcji Generator synchroniczny Przekształtnik energoelektroniczny ( statyczny ) Silnik elektryczny 20
Nowoczesna elektrotechnika - Każdy odbiornik jest zasilany przez Regulator energoelektroniczny (przekształtnik) zapewniający dopasowanie parametrów dostarczanej energii elektrycznej dla zapewniania przebiegu zadanego procesu przy założeniu minimalizacji zużytej energii GENERATOR Linia zasilająca napięcie znormalizowane Energia Energia Energia Przekształtnik Regulator Przekształtnik Regulator Przekształtnik Regulator Odbiornik 1 Odbiornik 2 Odbiornik 3 21
Przekształtnik tranzystorowy sterowany mikroprocesorem 22
Napęd elektryczny jest typową dziedziną systemową integruje zagadnienia: Teorii sterowania Maszyn elektrycznych Mikroelektroniki Elektroniki przemysłowej Energoelektroniki Informatyki przemysłowej Techniki symulacji i obliczeń komputerowych Mechatroniki Energetyki Pojazdów elektrycznych..? PLC DSP IGBT HF...C Institute of Control and Industrial Electronics Electrical Drive Division 23
Segway - Przykład rozwoju napędu i zaawansowanego sterowania dla transportu indywidualnego 24
Segway nowy środek transportu indywidualnego wspaniałe osiągnięcie nauki i techniki V(t) α F(t) 25
Napęd klasyczny - 21 czy 20 wiek? silnik spalinowy ma minimalną prędkość poniżej której przestaje działać 26
Silniki spalinowe z zapłonem iskrowym oraz silniki Diesla: do pojazdów, oraz silniki do urządzeń przemysłowych (np. do generatorów) nie rozwijają momentu napędowego poniżej pewnej prędkości T Maksymalny moment napędowy silnika spalinowego -Diesla Tmax? 0 n min (ω min ) n max (ω max ) Prędkość wirowania wału silnika Napęd bezpośredni śruby - Silnik wolnoobrotowy prędkość narzucona wymaganiem śruby (125obr/min) duży moment napędowy wielka masa silnika spalinowego 27
Elektrownia okrętowa - silniki i generatory 1500obr/min Przekształtniki sterujące Nowoczesny napęd statku Silnik elektryczny Silnik elektryczny napęd statku silnikiem elektrycznym regulacja prędkości śruby od zera, manewrowość! 28
Napęd elektryczny należy do przedmiotów zawodowych i dlatego powinien mieć, w stosunku do przedmiotów teoretycznych, inny sposób podawania wiedzy będą przykłady wprowadzające do dziedziny techniki. Przekazywana najnowsza wiedza ma być pomostem ułatwiającym wejście do czynnego życia zawodowego i sygnalizować tendencje rozwojowe. Materiał jest jednak podawany z pewnym uproszczeniem. 29
Często stosowane skróty i nazwy już akceptowane w Polsce DC (Direct Current) prąd stały, obwód napięcia stałego (np. DC link voltage ) AC (Alternating Current) prąd przemienny (np. AC output voltage ) Electric Drive napęd elektryczny (niekiedy Propulsion ) Converter przekształtnik (energoelektroniczny) Rectifier - prostownik Inverter falownik (energoelektroniczny) 30
dodatek Thesis of the subject Control of Electrical Drives is modern subject which is able to fulfill expectation of young generation from digital era - and this is a field of digital power application The DIGITAL POWER is the feedback control of a switching power electronic converter via digital methods as opposed to analog means. In addition, digital power also refers to the digital communication that takes place between the host controller and the power converters in a system. The latter is sometimes referred to as digital power management 31
Przemiany (postęp) w technice napędu elektrycznego maszyn roboczych opinia światowa o nowoczesnej technice napędu Motor drives and their power electronic converters are facilitating electric power transfer systems, which are replacing conventional mechanical, hydraulic, and pneumatic power transfer systems. 32
Aplikacje sterujące dla różnych maszyn roboczych Aplikacje fabryczne All-in-One Aplikacje specjalne NX program systemowy NX HARDWARE 33
Automatyczna pakowaczka JAK wybrać napęd? skanowanie Znajomość maszyn roboczych jest koniczna przy projektowaniu napędu 34
Przykład nowoczesnego silnika z magnesami trwałymi o podwyższonej częstotliwości (bardzo lekki wymaga nowoczesnego sterowania) wirujące magnesy 35
Napęd elektryczny pojazdu nowoczesny silnik Silnik elektryczny: trójfazowy, czterobiegunowy silnik indukcyjny z miedzianym wirnikiem Moc maksymalna: około 260 kw, 320 kw (wersja sport); Maks. prędkość obrotowa silnika: około 16 tys. obr./min Maks. moment obrotowy: około 415 Nm (dostępny od 0 do 7000 obr./min) Przeniesienie napędu: stałe przełożenie 9,73:1 Napęd: na tylną oś Chłodzenie silnika: cieczą Maksymalna częstotliwość 530 Hz Masa prawdopodobna około 32 kg?
Magazyn energii Akumulatory: litowo-jonowe z katodą typu LiNiCoAlO 2 firmy Panasonic Napięcie nominalne: 375V. Liczba ogniw: 8,000 Czas ładowania 0-100%: kilka godzin ładowarką na pokładzie o mocy 10 kw lub 20 kw (2x10 kw); sprawność ładowarki sięga 92% Czas szybkiego ładowania: około 45 minut zewnętrzną ładowarka o mocy 90 kw ; 30 minut ładowania pozwala przejechać około 240 km Możliwość szybkiej wymiany pakietu akumulatorów w serwisie Energia zgromadzona w akumulatorach: 85 kwh Gwarancja na akumulatory: 8 lat, bez limitu przebiegu Całkowita masa: około 550 kg (prawdopodobnie) Chłodzenie/ogrzewanie pakietu ciecz
38
Literatura W. Koczara Wprowadzenie do napędu elektrycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012 Dla bardziej zaawansowanych: Automatyka napędu elektrycznego, Krzysztof, Zawirski, Jan Deskur, Tadeusz Kaczmarek, Wyd. Politechniki Poznańskiej, 2012 39