Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Dynamics of Electromechanical Systems
Course of study:
2017/2018
Code:
EEL-2-103-PT-s
Faculty of:
Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Biomedical Engineering
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Pomiary technologiczne i biomedyczne
Field of study:
Electrotechnics
Semester:
1
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Responsible teacher:
dr hab. inż, prof. AGH Jażdżyński Wiesław (wjaz@agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr hab. inż, prof. AGH Jażdżyński Wiesław (wjaz@agh.edu.pl)
dr inż. Kozik Jarosław (kozik@agh.edu.pl)
dr inż. Milej Waldemar (milej@agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Ma świadomość potrzeby traktowania napędu elektrycznego jako jednego systemu elektromechanicznego. EL2A_K01 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
Skills
M_U001 Potrafi wykorzystać modele dynamiczne napędów elektrycznych z maszynami prądu stałego, prądu przemiennego i z magnesami trwałymi do symulacji stanów dynamicznych, ocenić ich wpływ na sieć energetyczną oraz przeprowadzić analizę otrzymanych wyników. EL2A_U06, EL2A_U11 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_U002 Potrafi przeprowadzić identyfikację modeli napędów w oparciu o dokumentację techniczną oraz wyniki pomiarowe stanów ustalonych i przejściowych, z wykorzystaniem metod optymalizacji. EL2A_U06, EL2A_U07, EL2A_U11 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_U003 Potrafi ocenić stan zagrożeń wynikających z dynamiki procesów w napędach, przedstawić wyniki analizy w formie wniosków oraz zaproponować środki zaradcze. EL2A_U03, EL2A_U14 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
Knowledge
M_W001 Zna i rozumie zasady elektromechanicznego przetwarzania energii, umie sformułować równania stanu systemu elektromechanicznego, zna metody analityczne i numeryczne rozwiązania tych równań. EL2A_W02, EL2A_W06, EL2A_W01 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_W002 Zna podstawowe własności układów mechanicznych oraz rozumie ich rolę i znaczenie w dynamice systemów elektromechanicznych. EL2A_W02, EL2A_W03 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_W003 Zna modele podstawowych napędów elektrycznych z maszynami prądu stałego, prądu przemiennego i z magnesami trwałymi oraz metody ich identyfikacji. EL2A_W02, EL2A_W11, EL2A_W06, EL2A_W01 Examination,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Ma świadomość potrzeby traktowania napędu elektrycznego jako jednego systemu elektromechanicznego. + - + - - - - - - - -
Skills
M_U001 Potrafi wykorzystać modele dynamiczne napędów elektrycznych z maszynami prądu stałego, prądu przemiennego i z magnesami trwałymi do symulacji stanów dynamicznych, ocenić ich wpływ na sieć energetyczną oraz przeprowadzić analizę otrzymanych wyników. + - + - - - - - - - -
M_U002 Potrafi przeprowadzić identyfikację modeli napędów w oparciu o dokumentację techniczną oraz wyniki pomiarowe stanów ustalonych i przejściowych, z wykorzystaniem metod optymalizacji. + - + - - - - - - - -
M_U003 Potrafi ocenić stan zagrożeń wynikających z dynamiki procesów w napędach, przedstawić wyniki analizy w formie wniosków oraz zaproponować środki zaradcze. + - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Zna i rozumie zasady elektromechanicznego przetwarzania energii, umie sformułować równania stanu systemu elektromechanicznego, zna metody analityczne i numeryczne rozwiązania tych równań. + - + - - - - - - - -
M_W002 Zna podstawowe własności układów mechanicznych oraz rozumie ich rolę i znaczenie w dynamice systemów elektromechanicznych. + - + - - - - - - - -
M_W003 Zna modele podstawowych napędów elektrycznych z maszynami prądu stałego, prądu przemiennego i z magnesami trwałymi oraz metody ich identyfikacji. + - + - - - - - - - -
Module content
Lectures:
  1. Pojęcia podstawowe (5 godz.)

    Modele obwodowe, polowe i polowo-obwodowe systemów elektromechanicznych i ich elementów – zasady tworzenia, zastosowanie, przykłady modeli FEM. Prawa dynamiki. Parametry obwodowego modelu układu mechanicznego i elektrycznego. Opis systemu elektromechanicznego. Zasada i równania d’Alamberta. Równania Eulera-Lagrange’a. Koncepcja analogii elektromechanicznych. Przykłady.

  2. Układy mechaniczne (6 godz.)

    Obciążenia udarowe i oscylacyjne w układach mechanicznych. Stopnie swobody. Elementy teorii drgań. Drgania swobodne i wymuszone. Zjawisko rezonansu. Układy nieliniowe i ich własności. Tłumienie drgań. Częstości drgań własnych. Metody wyznaczania częstości i postaci drgań głównych układu mechanicznego. Redukcja układu złożonego do układu o jednym lub dwóch stopniach swobody. Modyfikacja widma częstości drgań własnych poprzez zmianę parametrów. Układy o ciągłym rozłożeniu masy.

  3. Analiza dynamiki systemów elektromechanicznych (5 godz.)

    Równania stanu i ich rozwiązywanie. Stany nieustalone i ustalone. Linearyzacja równań. Równania charakterystyczne. Stabilność sytemu. Procedura odsprzęgania równań stanu, postacie własne rozwiązań systemu i ich znaczenie. Transmitancja systemu. Modele podstawowych elementów układów regulacji automatycznej, ich własności i wpływ na dynamikę systemu.

  4. Wyznaczanie parametrów oraz identyfikacja modeli obwodowych systemów elektromechanicznych. (2 godz.)

    Elementy optymalizacji. Uogólniona metoda najmniejszych kwadratów. Zastosowanie metod regresji liniowej i nieliniowej oraz programowania nieliniowego. Identyfikacja w oparciu o wyniki pomiarów statycznych i dynamicznych. Przykłady.

  5. Dynamika napędu z maszyną prądu stałego. (3 godz.)

    Model, równania ruchu napędu i metody ich rozwiązywania. Linearyzacja, stałe czasowe. Identyfikacja systemu. Przykład modelu dynamicznego układu ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym i prędkościowym w środowisku Matlab-Simulink.

  6. Dynamika napędu z maszyną prądu przemiennego (3 godz.)

    Przykład napędu z silnikiem indukcyjnym. Model, równania systemu i metody ich rozwiązywania. Identyfikacja systemu. Zmienność parametrów modelu. Omówienie modelu do symulacji dynamiki przy zasilaniu z sieci i z falownika napięciowego w środowisku Matlab-Simulink.

  7. Dynamika napędu z maszyną posiadającą magnesy trwałe (3 godz.)

    Znaczenie magnesów trwałych i ich reprezentacja w modelach maszyn elektrycznych. Przykład napędu z wysokosprawnym silnikiem synchronicznym typu LSPMSM: model dynamiczny i statyczny, równania stanu, metody rozwiązywania. Przykład analizy dynamiki w środowisku Matlab-Simulink.

  8. Oddziaływanie na sieć energetyczną (1 godz.)

    Czynniki wpływające na wzajemne oddziaływanie napędów elektrycznych i sieci energetycznej. Analiza oddziaływania na sieć na przykładzie napędu generatora synchronicznego: model systemu, przykłady symulacji stanów awaryjnych.

Laboratory classes:
  1. Wprowadzenie, sprawy formalne. Symulacja w środowisku Matlab-Simulink. (2 godz)

    Rozwiązywanie układów równań różniczkowych zwyczajnych w środowisku Matlab-Simulink. Równania stanu liniowe i nieliniowe. Modelowanie nieliniowych charakterystyk elementów systemu elektromechanicznego.

  2. Układy mechaniczne rzędu 2-go i wyższych (4 godz)

    Modele liniowe, źródła i rodzaje nieliniowości. Wyznaczanie wartości parametrów liniowego modelu układu mechanicznego. Obciążenia udarowe, przemienne i tętniące. Wyznaczanie częstości drgań własnych w układach liniowych, wpływ parametrów modelu i ich nieliniowości. Zjawisko rezonansu w układach liniowych i nieliniowych, w stanach ustalonych i dynamicznych.

  3. Dynamika napędu z maszyną prądu stałego (środowisko Matlab-Simulink). (7 godz)

    Równania stanu i model napędu maszyny prądu stałego z układem mechanicznym 2go rzędu w środowisku Matlab-Simulink. Pomiary do identyfikacji modelu dynamicznego napędu z wykorzystaniem techniki cyfrowej w środowisku LabVIEW. Opracowanie wyników pomiarowych. Wyznaczenie wartości parametrów modelu z pomiarów. Modelowanie zasilania z sieci DC, mostka Greatza, impulsatora oraz ze sterowanego prostownika tyrystorowego. Modelowanie układu regulacji sprzężenia zwrotnego napięciowego, prędkościowego oraz prądowego. Weryfikacja pomiarowa modelu dla stanu dynamicznego. Analiza stanów dynamicznych w czasie rozruchu i zmiennego obciążenia.

  4. Dynamika napędu z silnikiem indukcyjnym (środowisko Matlab-Simulink). (7 godz)

    Równania stanu i model napędu silnika indukcyjnego z układem mechanicznym 2go rzędu w środowisku Matlab-Simulink. Transformacje współrzędnych wykorzystywane w symulacji pracy napędu sterowanego. Pomiary do identyfikacji modelu dynamicznego napędu z wykorzystaniem techniki cyfrowej w środowisku LabVIEW. Opracowanie wyników pomiarowych. Wyznaczenie parametrów modelu i ich zmienności wynikającej z nieliniowości. Weryfikacja pomiarowa modelu dla stanu dynamicznego. Modelowanie zasilania z sieci oraz z falownika napięciowego typu PWM. Symulacja stanów dynamicznych w czasie rozruchu i zmiennego obciążenia oraz analiza wyników.

  5. Dynamika napędu z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi typu LSPMSM. (6 godz.)

    Równania stanu i model napędu LSPMSM z układem mechanicznym 2go rzędu w środowisku Matlab-Simulink. Pomiary do identyfikacji modelu dynamicznego. Opracowanie wyników pomiarowych. Wyznaczenie parametrów modelu. Symulacja dynamiki napędu i pomiarowa weryfikacja jej wyników.

  6. Dyskusja uzyskanych wyników i zaliczenie. (2 godz)

    Dyskusja wyników identyfikacji i symulacji dynamiki badanych napędów elektrycznych. Zaliczanie sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 146 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Participation in lectures 28 h
Participation in laboratory classes 28 h
Preparation for classes 10 h
Preparation of a report, presentation, written work, etc. 20 h
Realization of independently performed tasks 60 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena z laboratorium jest średnią ocen ćwiczeń laboratoryjnych.
Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest pozytywna ocena z laboratorium.
Ocena z egzaminu jest zgodna z regulaminem studiów
Ocena końcowa jest pozytywna, gdy pozytywna jest ocena z egzaminu.
Ocena końcowa jest zgodna z obowiązującą skalą ocen jako najbliższa średniej ważonej ocen z egzaminu (waga 2) i laboratorium (waga 1), z zaokrągleniem w kierunku oceny z egzaminu. Ocena końcowa może uwzględniać aktywność studentów w zajęciach.

Prerequisites and additional requirements:

Znajomość podstaw matematyki, fizyki, teorii obwodów, maszyn elektrycznych i oprogramowania Matlab.

Recommended literature and teaching resources:

1. Meisel J.: „Zasady elektromechanicznego przetwarzania energii”, WNT, W-wa, 1966 (tłum. z ang.)
2. Cannon R.H.: „Dynamika układów fizycznych”, WNT, 1973, W-wa (tłum. z ang.)
3. Engel.J., Giergiel J. :Mechanika – Dynamika”. Wydawnictwa AGH, 1998
4. Osowski S., „Modelowanie układów dynamicznych z zastosowaniem języka Simulink”, Oficyna Wyd. Pol. Warsz., Warszawa, 1999.
5. Matlab-Simulink Help (w tym opis i definicje modeli maszyn elektrycznych w SimPowerSystems toolbox)
6. K. Mańczak. Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania”, wyd. 2 Warszawa : W.N.T. 1979 (1971)
7. Jażdżyński W.: Propozycja analitycznej procedury prowadzącej do zmniejszenia obciążeń w elementach walcarki. Wydział Elektrotechniki Górniczej i Hutniczej AGH, Zakład Maszyn Elektrycznych. Praca doktorska, AGH, 1975 (maszynopis)
8. Jażdżyński W.: Projektowanie maszyn elektrycznych i identyfikacja ich modeli z wykorzystaniem optymalizacji wielokryterialnej”, Wydawnictwa AGH, seria „Rozprawy i Monografie” nr.28, Kraków 1995.
9. Dahlquist G., Bjorck A. „Metody numeryczne”. PWN, Warszawa, 1983

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. Jażdżyński, W.: Symulacja na EMC stanów dynamicznych w klatkowym silniku asynchronicznym z niesymetrią zwojową. Zeszyty Naukowe AGH, nr 641, seria Elektryfikacja i Mechanizacja Górnictwa i Hutnictwa, z.96, Kraków, 1978, s.21-44
2. Jażdżyński, W.: A Model for the Simulation od Dynamic States in the System of Slip-Ring Induction Motor and Eddy-Current Starter. Proceedings of the AMSE International Conference on “Applied Modelling and Simulation”, AMS’81, Lyon, 7-11 September 1981, s.261-262
3. Jażdżyński, W.: Determining the Parameters of a Synchronous Motor Model from Test with the Help of Muilticriterial Optimisation. Proceedings of International Conference on the Evolution and Modern Aspects of Synchronous Machines SM’100, Zurich, Switzerland, 1991, s.65-71
4. Jażdżyński, W.:Nonstationary Models of Induction Motors and their Identification with the Help of Multicriterial Optimisation. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM’96, vol.III, Vigo, Spain, 1996, s.40-45
5. Jażdżyński, W.: Identyfikacja modeli maszyn indukcyjnych ze szczególnym uwzględnieniem silnika z prętami biernymi. Materiały konferencyjne XXX Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME’94, Kazimierz Dolny, 13-17 czerwiec 1994, s.183-190
6. W.Jazdzynski: A Method of Searching for the Best Model of a Synchronous Machine, Allowing for Unequal Mutual Inductances. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM’98, vol. I, Istanbul, Turkey, September 1998, 54-58
7. W.Jażdżyński: Asynchronous operation of a salient-pole synchronous machine – a discussion towards model identification. Archives of Electrical Engineering, vol.XVIX, 2000, no.1, pp. 135-156
8. W.Jażdżyński : Konstrukcje energooszczędne jako sposób zwiększenia trwałości silników indukcyjnych oraz ich efektywności ekeonomicznej. IX Seminarium Techniczne BOBRME „Komel”, 24-26 maj 2000, Ustroń Jaszowiec, str. 45-48
9. W. Jażdżyński, W. Milej. Identyfikacja niestacjonarnego modelu silnika indukcyjnego z uwzględnieniem zjawisk cieplnych. Materiały konferencyjne XXXVIII Międzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME’2002, Cedzyna-Kliece, 18-21.06.2002, str.483-492
10. W.Jażdżyński. Modelowanie maszyn elektrycznych. Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji n.t. „Współczesne kierunki rozwoju Elektrotechniki, automatyki, informatyki, elektroniki i telekomunikacji”. Kraków, 7-8 czerwca 2002, str. 167-168.
11. W. Jazdzynski: Identification of a Model of Induction Motor with Function Parameters. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines and Systems ICEMS 2003, vol. 2, Beijing, China, 8-11 November 2003, p.472
12. W. Jażdżyński, J.Kudła: A Problem of Torque Accuracy in Models of a Squirrel-Cage Induction Machine. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM 2004, Cracow, Poland, 5-8 September 2004, paper 517, CD-ROM issue.
13. W. Jażdżyński, W. Milej: Determining an Improved Dynamic Model of a System: Induction Motor and Direct-Current Machine. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM 2004, Cracow, Poland, 5-8 September 2004, paper 551, CD-ROM issue.
14. W. Jażdżyński, W. Milej.: Wyznaczanie modelu dynamicznego maszyny prądu stałego. Materiały konferencyjne XLI Międzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME’2005, Opole-Jarnołtówek, 14-17.06.2005, t. II, str. 378-382).
15. Wieslaw Jazdzynski, Michal Majchrowicz, Maciej Boba, Michal Gorski: Dynamic Models of D.C. and A.C. Machines with Increased Accuracy and their Analysis in LABView and Matlab-Simulink Environment, Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM 2008, Vilamoura, Portugal, September 6-9, 2008, paper 1392,CD ROM issue

16. W. Jażdżyński, M. Bajek: Wyznaczanie i analiza granicznych własności optymalizowanego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM). Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL, nr 87, Katowice 2010, str.91-94.
17. W. Jażdżyński, M. Bajek: Modeling and Bi-Criterial Optimization of a Line Start Permanent Magnet Synchronous Machine to Find an IE4 Class High-Efficiency Motor. Proceedings of the International Conference on Electrical Machines ICEM 2010, Rome, Italy, September 6-8, 2010, paper RF-002232, pp.1-6.
18. W. Jażdżyński, M. Bajek: Comparison of FEM and lumped parameter models in application to optimization of a LSPMSM construction. Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL, nr 92, Katowice 2011, str.39-44.
19. W. Jażdżyński: Modeling and optimization of an IE4-class high-efficiency induction motor prototype. Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL, nr 93, Katowice 2011, str.37-42.
20. W.Jażdżyński, M.Bajek. A comparison of operation properties of a high-efficiency squirrel-cage induction motor and LSPMSM. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Seria: Studia i Materiały nr.32, tom 1, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2012, str. 238-243.
21. W. Jażdżyński: LSPMSM dynamic model and assess its suitability for design optimizations based on a calculation and experiment. Maszyny elektryczne. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL, nr 100/4, Katowice 2013, str.111-114.

Additional information:

None