Kurs-PM för Elteknik (EEK 140), 7,5hp. Läsåret 2013/2014, lp 2. 1 Allmän kursinformation 1.1 Förkunskaper 1.2 Kursens genomförande 1.3 Kursens syfte 1.4 Kursens lärandemål 1.5 Övrig kursinformation 2 Arbetsplanering 2.1 Inlämningsuppgifter 2.2 Schema 2.3 Laborationstider 2.4 Elevernas arbetsbelastning 2.5 Några studieråd 3 Ämnesbeskrivning 4 Tillämpningar av kursens innehåll 1 Allmän kursinformation: 1.1 Förkunskaper Kursen bygger på att man kan kretsanalysmetoder. Framför allt jω-metoden är central samt kunskap om olika de grundläggande elektriska komponenterna. Matematikkunskaper i ekvationslösning med komplexa tal är viktiga. Dessutom kommer differentialekvationer till användning i kraftelektronikdelen. 1.2 Kursens genomförande Kursen består av föreläsningar, räkneövningar och labbar syftande till att lära ut grunder, fakta och lösningsmetoder. Denna del tenteras och tentan samt labbarna är de obligatoriska momenten. Dessutom är det tre inlämningsuppgifter, med målet att lära ut problemlösning och analys, baserad på de kunskaper som lärts ut i första delen (under kursens lopp). De obligatoriska momenten i denna del är att lämna in lösningarna före de tre deadlines som gäller, samt ett muntligt förhör för samtliga inlämningsuppgifter som varje elev måste boka själv. 1.3 Kursens syfte Kursen syftar till att ge den nödvändiga baskunskap i elkraftteknik som är viktig för alla elektroingenjörer. Målet med kursen är att deltagarna skall kunna förstå grundprinciper för elkraftkomponenter och system samt känna till möjligheter och begränsningar hos dem. Dessutom skall deltagarna känna till viktiga begrepp och beräkningsmetoder. Kursen har sin huvudsakliga inriktning på normaldrift och stationärtillstånd. 1.4 Kursens lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna) Del 1: FÖRELÄSNINGAR, RÄKNEÖVNINGAR: Detta är en sammanställning av vilka kunskaper kursen skall förmedla och tentan kommer att göras utifrån denna sammanställning. Kan man allt detta skall man med stor säkerhet få en femma på tentan! Kursen innehåller både delar som man skall kunna utföra beräkningar på och diskutera beräkningsresultaten (under rubriken "beräkna") och delar där man i huvudsak skall känna till viktiga begrepp, viktiga fenomen och en del fakta (under rubriken "kunna"). 1 (8)
Elkraftsystem/trefas: Beräkna: Trefassystemet, skenbar-/aktiv-/reaktiv-effekt, faskompensering, spänningsfall, överföring på kablar och ledningar, visardiagram. Kunna: Elkraftsystemets struktur, Sveriges elenergiproduktion & konsumtion, frekvensreglering, spänningsreglering, kablars och ledningars egenskaper Transformator: Beräkna: Transformatorns ekvivalenta schema, transformera impedanser, spänningsfall, förluster, trefaskopplingar, sparkopplad trafo, visardiagram. Kunna: Transformatorns funktionssätt, mättransformatorer. Elektriska maskiner: Beräkna: Belastningspunkt, nätpåverkan. Asynkronmaskin: momentkurva, ekvivalenta schema, start, tomgång, frekvensomriktardrift. Likströmsmaskin: ekvivalenta schema, vridmoment, varvtalsreglering. Kunna: Asynkron- & likströmsmaskinernas uppbyggnad och verkningssätt, startmetoder, några små asynkronmaskiner, allströmsmotorn, synkrongeneratorns funktion och användning. Elektrisk dimensionering: Beräkna: Trefaskortslutningar Kunna: Kortslutningsteori, metoder för begränsning av kortslutningsströmmarna, Kraftelektronik: Beräkna: Diodlikriktare enfas/trefas, likspänningsomriktare, spänningars och strömmars tidsfunktioner. Kunna: Grundprinciper, komponenter, övertoner, användningsområden, strömriktare, PWM. Elsäkerhet: Kunna: Aktuella delar av elsäkerhetsföreskrifter, elrisker, säkringar, jordning, jordfelsbrytare. Del 2: INLÄMNINGSUPPGIFTER, LABORATIONER: Inlämningsuppgifterna och laborationer täcker samma kunskapsområde som beskrivs för tentan ovan, med den skillnaden att ni förväntas jobba mer aktivt för att självständigt lära er använda kunskaperna på lite större problem. De lösningsmetoder ni lärt er skall ni nu även kunna använda på problem som inte har gåtts igenom på föreläsningar eller övningar och där svaret på problemet inte har givits. Ni skall i era lösningar visa att ni har förstått problemet, kunnat förstå vilka metoder som kan användas för att lösa det samt kunnat tolka resultaten. 1.5 Övrig kursinformation Tentamen: Dugga: 2012-12-17 eftermiddag. Hjälpmedel: Räknetabeller, Physics Handbook samt typgodkänd räknare. Maxpoäng 50; 25 poäng eller högre ger godkänt på delmoment 1 i kursen (3.7 poäng). Slutbetyg beräknas dock utifrån både tentamen och betyg på inlämningsuppgifter, se nedan. Dugga under läsvecka 4 (onsdag, den 20/11 45 min). Hjälpmedel: Räknetabeller, Physics Handbook samt typgodkänd räknare. Den ger poäng som man kan ha med sig till tentamen. På duggan kan man få max 6 poäng. Syftet med duggan är att få eleverna att börja arbeta med kursen redan första veckan, samt att visa vikten av att behärska den grundläggande teorin. 2 (8)
Inlämningsuppgifter: Tre inlämningsuppgifter skall lämnas in före var sin deadline. Se till att behålla en kopia på inlämningsuppgifterna för säkerhets skull och för att friska upp minnet före förhöret. De inlämnade uppgifterna fås inte tillbaka förrän på förhöret. Inlämningsuppgifterna förhörs muntligen och betygssätts då med betygen 1, 2, 3, 4 eller 5. Om medelbetyget på de tre inlämningsuppgifterna kan avrundas till 3.0 eller högre samt om man har genomfört laborationerna får man godkänt på delmoment 2 i kursen (3.8 poäng). Laborationer: Tre obligatoriska laborationer ingår i kursen. Bokningslistor finns på kurshemsidan under kursen. Alla i kursen skall få ett exemplar av elkraftinstitutionens säkerhetsföreskrifter och de måste vara väl genomlästa före första laborationstillfället. Är det någon del som är oklart måste man ta reda på vad som menas genom att fråga till exempel labhandledare. Vid första labben görs ett kort förhör och alla kvitterar att de fått, läst och förstått föreskrifterna. Hemuppgifterna för labbarna måste vara gjorda innan labtillfället. Slutbetyg: För betyg i kursen fordras ett totalbetyg, sammanvägt av tentamensresultat, minst 3, och medelbetyg på de tre inlämningsuppgifterna, som är minst 3, dessutom måste laborationerna vara godkända. Det sammanvägda slutbetyget beräknas som: OBS avrundning sker uppåt om resultatet slutar på exakt X,5 Inl1, Inl2 och Inl3 är betyg på inlämningsuppgifterna. Betyget består av ett rationellt tal mellan 1 och 5, t.ex. 4,5. Om man inte klarar slutbetyg på 3 eller mer, kan man få godkänt på delmomenten tenta eller inlämningsuppgifter var för sig. Tentamen: 25-32p betyg 3; 33-42p betyg 4; 43-50p betyg 5 Inlämnings betyg Inl1 + Inl2 + Inl3 = avrunda 3 Kurslitteratur/kursmaterial (säljs på DC): Kompendium (190 kr) Häfte: Kortslutningsströmmar, övningshäfte och tre laborations-pm (60 kr) Från kursnämndens protokoll för EEK140 2012 2013: Önskade förändringar: Kursen är bra som den är och inga förändringar föreslås till nästa år. Kursrepresentanter: Hua Jimmy Tran Hannes Östergren Tobias Elgström tentapoäng Inl1 + Inl2 + Inl3 + 10 3 Slutbetyg = avrunda + 0, 1 2 jimmyt@student.chalmers.se ohannes@student.chalmers.se tobelg@student.chalmers.se 3 (8)
Kontaktinformation: Kursen ges av Institutionen för Energi och Miljö. Avdelningen Elteknik. Besöksadress Hörsalsvägen 11, expedition en trappa upp Postadress Elteknik, Chalmers tekniska högskola, 412 96 Göteborg Tel. 031-772 1622 (exp) Institutionens hemsida: http://www.chalmers.se/sv/institutioner/ee/organisation/elteknik/sidor/default.aspx Kursens hemsida Ping-Pong Kursens examinator Aleksander Bartnicki, tel. 031-772 1649 E-mail: aleksander.bartnicki@chalmers.se Kursens övningsassistent Joachim Härsjö, tel. 031-772 1650 E-mail: harsjo@chalmers.se Presentation av föreläsare och övningsassistent: Föreläsare (Aleksander Bartnicki) jobbar på Chalmers, i första hand inom området högspänningsteknik, sedan 1975. Hans arbete består av undervisning, deltagande i olika forskningsprojekt, handledning av examensarbeten och laborationsversamhet inom högspänningsområde (tidigare i kopparbunken och utomhusforskningsstation). Han är även elsäkerhetsansvarig på elkraftavdelningarna och ansvarig för driften av 10/0.4 kv ställverk. Övningsassistenten (Joachim Härsjö) arbetar som doktorand vid institutionen sedan juli 2011. Hans forskningsprojekt syftar till att undersöka och förebygga olika felfall som kan uppstå hos direktdrivna vindkraftverk. För att kunna göra detta måste goda modeller av både generatorn och frekvensomrikataren tas fram. Då projektet är en underdel i ett större projekt kommer olika modeller att göras. Detta för att olika delar av det större projektet inte behöver information om alla fenomen som uppstår. En ytterligare del av projektet är hanteringen av de fel som skall uppstå, till exempel om en viss typ av fel uppstår skall då hela vindkraftverket stängas av eller skall det fortsätta att vara i drift men med reducerad produktions förmåga. 2 Arbetsplanering 2.1 Inlämningsuppgifter Inlämningsuppgifterna tillgängliga på hemsidan senast: Uppgift 1 onsdag 30/10 kl 8.00 Uppgift 2 onsdag 13/11 kl 8.00 Uppgift 3 onsdag 27/11 kl 8.00 Sista inlämningstid för inlämningsuppgifterna är: Uppgift 1 tisdag 12/11 kl 17.00 Uppgift 2 tisdag 26/11 kl 17.00 Uppgift 3 måndag 9/12 kl 17.00 Handledning: (Ingen speciell gruppindelning, alla tider öppna för alla) Lokal: Fredrik Lamms rum (intill ingången till Elkraftdelen av E-huset) Uno Lamms rum endast 5/11, 7/11 och 5/12 Förhör av inlämningsuppgifter: Tider Datum tisdagar 8.00 9.40 5/11, 12/11, 3/12 torsdagar 13.15 15.00 7/11, 14/11, 21/11, 28/11, 5/12 fredag 8.00 9.40 22/11 Under den sista läsveckan kommer de individuella förhören att ske. Bokningslistor kommer att finnas på kurshemsidan. 4 (8)
2.2 Schema Datum Kapitel i Övning Innehåll föreläsning kompendium tal 29/10 Introduktion; Grundläggande samband; 2.2.1 2.2.5 Referenser; Visardiagram HA2 29/10 Trefassystem HA2 2.2.6 2.2.7 30/10 Info inlämnings uppgifter; Transformator HA2 3.1.1 3.1.6 31/10 Transformator EF 3.1.7 3.1.10 1/11 EL41 1.6, 2.2, 2.7, 3.1, 3.5 1/11 Elnätets funktion och uppbyggnad; 2.1; 3.2; 2.3.1 Kablar/ledningar; Spänningsfall EF 5/11 Faskompensering; Effektöverföring på ledningar; Ekvivalent nät; Spänningsreglering 2.3.2-2.3.4; 2.3.6; HA2 6/11 Inför lab. 1; Elsäkerhet HA2 6.1 6.4 8/11 ES51 3.6, 3.10, 3.12, 3.13 8/11 Dimensionering av elektriska anläggningar EF extra häfte 12/11 Kortslutningsberäkningar HA2 extra häfte 13/11 Allmänt om elektriska maskiner HA2 4.1; 4.2 15/11 EL41 3.17, 2.12, 2.15A, 2.15B 15/11 Asynkronmaskin EF 4.2 4.4 18/11 Studiebesök trafostation, ställverk 130-50-10 kv kl.13.30-15.30 19/11 ES52 2.16, 2.17, 6.1, 6.4 19/11 Forts. asynkronmaskin; Inför lab. 2 HA2 4.4 4.6 20/11 Dugga 8.45 9.45 HA4 22/11 Likströmsmaskin EF 4.7 26/11 Kraftelektronik HA2 5.1 5.2 27/11 Kraftelektronik; Inför lab. 3 HA2 5.3 29/11 EL41 4.3, 4.7, 4.8B, 4.9, 4.13 29/11 Kraftelektronik; HVDC EF 5.4; 3.3 3/12 Synkronmaskin HA2 Bilaga 2 4/12 Övriga elektriska maskiner HA2 4.8 6/12 EL43 4.20, 4.27, 5.2, 5.8 6/12 Energiflödet; Elproduktion och elkonsumtion; Frekvensreglering EF 2.3.5; 2.4 10/12 EL41 5.3,5.9, 5.10; repetition 10/12 Repetition HA2 11 13/12 Förhör Uno Lamms rum Frågestunder: Försök att ta upp frågorna på övningar och föreläsningar, vid ytterligare behov kontakta övningsassistent eller föreläsare. Välkomna! Animeringsstudier: Du kan sitta hemma eller vid Chalmers datorer och studera multimediamaterialet och fundera på hur elmaskiner och kraftelektronik fungerar. Web-adressen hittar du på kursens hemsida, klicka på Visualisering av elektriska maskiner visualiseringsprogram 5 (8)
2.3 Laborationstider: 12 teknologer per labtillfälle Lab1: fredag 8/11 13.15-17.00 Lab2: fredag 22/11 13.15-17.00 måndag 11/11 13.15-17.00 måndag 25/11 13.15-17.00 fredag 15/11 13.15-17.00 torsdag 28/11 8.00-11.45 Lab3: fredag 29/11 13.15-17.00 måndag 2/12 13.15-17.00 torsdag 5/12 8.00-11.45 2.4 Elevernas arbetsbelastning: Föreläsningar Övningar Laborationer Inl.upp. Eget Summa Lv1 10 2-8 6 26 Lv2 6 2 4 14 6 32 Lab 1 Lv3 6 2 14 6 28 Deadline 1: tisdag kl 17.00 Lv4 4 2 4 14 6 30 Dugga; Lab 2 Lv5 6 2 14 6 28 Deadline 2: tisdag kl 17.00 Lv6 6 2 4 14 6 32 Lab 3 Lv7 2 2 4 12 20 Deadline 3: måndag kl 17.00 Muntliga förhör Tentav. - - - - 4 4 Tenta tisdag em. Totalt: 38 14 12 84 52 200 2.5 Några studieråd: Vi har som mål att examinationen skall belöna förståelse av ämnet och inte bara beräkningsfärdigheter. På tentan krävs förutom den vanliga beräkningsfärdigheten även en viss förståelse, genom att en del av poängen ges för att kommentera svaren och förklara vad de innebär. Dessutom ges mer poäng på att ställa upp problemet än vad man får för att ha räknat ut svaret. Den andra delen av kursen är mer fokuserad på förståelse och förmåga att analysera och diskutera eltekniska problem. Detta uppnås genom att vi i muntliga förhör av inlämningsuppgifterna mycket bättre kan bedöma er förståelse, än vad vi kan utifrån tentan. Betygskriterierna på inlämningsuppgifterna bygger just på graden av förståelse, snarare än förmågan att räkna helt rätt. Man kan få bra betyg även om man löst uppgiften på felaktigt sätt! För att förstå ett ämne bra måste man diskutera det med andra. Bara genom att lyssna på föreläsningar kan man inte bygga upp en egen förståelse. Så ägna gärna mycket av er studietid åt att diskutera ämnet. Dels med varandra, men gärna också med föreläsare, övningsledare och lab-assistenter. Var inte rädd för att ställa "dumma" frågor, vi skall svara på allt som har med ämnet att göra! Det går mycket snabbare att utveckla sin förståelse av ämnet med feedback från någon annan, än om man skall bygga upp hela förståelsen själv. Det muntliga förhöret kommer kanske för vissa elever att upplevas som en stressande situation. Vi gör vårt bästa för att undvika detta, genom att förtydliga och följa upp frågor om ni verkar missförstå dem. Förhöret är en diskussion där vi vill att ni är så aktiva som möjligt och det är tillåtet att ha fel! Om du har fel i ett steg i sitt resonemang är det inte speciellt viktigt, om du ändå i ditt sätt att resonera visar att du förstår de mekanismer det handlar om. 6 (8)
Du kan förbereda dig på förhöret genom att läsa pappret med betygskriterier och beskrivning av förhöret (delas ut under kursen). Frågorna kommer att inriktas mer på hur du tänker och resonerar än vad siffersvaret blir. Passa därför på att pröva dina kunskaper genom att innan förhöret diskutera din bild av ämnet med kamrater. 3. Ämnesbeskrivning Elkrafttekniken utnyttjar elektricitetens energiinnehåll, i motsats till tele- och datatekniken, där elektricitetens informationsinnehåll är det primära. Inom elkrafttekniken studeras alla system och apparater som är involverade i användningen av el, det vill säga: omvandling av mekanisk rörelseenergi till elenergi - överföring över stora avstånd vid hög spänning - transformering, omformning och styrning - distribution till konsumenterna - och slutlig omvandling av elenergin till bland annat mekaniskt arbete, värme, ljus, med mera. Ämnet utvecklas snabbt, mycket på grund av kraftelektroniken som ger möjlighet att omvandla och styra el på ett mycket exaktare och snabbare sätt än förr. Dessa nya möjligheter har lett till att hela området förnyas och allt mer sofistikerad styrning kommer till användning. Just precisionen och snabbheten man kan styra el med har gjort att el har blivit totalt dominerande som medel att driva och styra andra processer. Man kan idag styra effektflöden på 10'000'000 W på 0.001 sekund med precision på nivån 1 %. Ännu högre effekter kan styras, fast lite långsammare, och vid lägre effektnivåer kan styrningen ske ännu mycket snabbare. Den svenska elkraftbranschen är världsledande inom många områden och det finns mycket stora möjligheter till intressanta och stimulerande jobb för elkraftingenjörer. Det finns idag en stor brist på elkraftingenjörer både i Sverige och i omvärlden. Elkraftingenjörer är dessutom efterfrågade inom andra teknikgrenar också, för att kunna integrera elkraft och styrning i andra system. Elkraftsystem behandlar generering, överföring och distribution av elektrisk energi. Systemen har en rad aktiva och passiva komponenter som tillsammans bestämmer systemets stationära och dynamiska egenskaper, samt tillförlitlighet och kvalitet i elleveransen. Systemanalysmetoder, simulering, och signalbehandling används för att ur få mätningar kunna detektera tillstånd på olika ställen ute i systemet. Förmågan att kunna förutse vilka konsekvenser enskilda komponenters beteende har på systemets stabilitet och tillförlitlighet är av stor vikt. Elmaskinteknik och drivsystem behandlar elektromagnetiska energiomvandlare: elektriska generatorer, motorer och transformatorer samt deras styrning och reglering. Området är vidsträckt från miniatyrmotorer i mikrowattklassen till stora turbogeneratorer på flera hundra megawatt och sträcker sig ämnesmässigt från mekaniska konstruktionsproblem, via Maxwells ekvationer och matematiska analysmetoder till reglerteori och datorbaserad styrteknik. Högspänningsteknik behandlar fysikaliska fenomen i elkraftsystem som är viktiga för isolation och urladdningsproblematik. I så "enkla" komponenter som högspänningsbrytare och isolering gömmer sig svåra tredimensionella fältproblem med bland annat partiella urladdningar. Förmågan att förstå hur elektriska fenomen, ofta transienta sådana, materials olika egenskaper samt elektriska fält samverkar är centralt för att konstruera tillförlitliga och små högspänningskomponenter. Viktigt är också att kunna ta hänsyn till det svåra klimat som många utomhuskomponenter utsätts för. Kraftelektronik behandlar omformning, styrning och koppling av elektrisk energi med hjälp av krafthalvledarkomponenter och styrelektronik. Med kraftelektronik kan spänning, ström och frekvens omvandlas med hög verkningsgrad. För att beskriva hur kraftelektronik fungerar måste kretsarna analyseras i transient tillstånd. De snabba förlopp som sker i modern kraftelektronik leder till att det är viktigt att skydda kretsen mot transienta överspänningar med mera. Förmågan att styra kretsarna så att bästa möjliga dynamiska beteende uppnås gör att det krävs kraftfulla styrsystem som bygger på avancerade matematiska modeller av kraftkretsen. 7 (8)
4 Tillämpningar av kursens innehåll Med denna kurs har man en översikt som gör att man inte står frågande inför de fenomen och problem som alla ingenjörer som jobbar med el kommer att möta. Framför allt har man lärt sig analysmetoder och ett sätt att resonera kring olika viktiga fenomen som kommer att göra att man lättare angriper många olika typer av elproblem. Skall man själv direkt jobba med elkraft behövs även den djupare kunskap som ges i de valfria mastersprogram kurserna. Kunskaper om hur elnät är uppbyggda och fungerar ger en systemförståelse som är viktig dels för den som jobbar med elsystem, men även för den som kan se paralleller till andra mindre elektrisk system vad det gäller ömsesidig påverkan mellan komponenter och mekanismer som styr effektflöden i systemen. Transformatorers och ledningars funktionssätt är en utvidgning av kunskap från tidigare kurser om överföring på ickeideala ledningar, nu till det lägre frekvensområdet. Kunskaper om drivsystem som kopplar ihop elektrisk drivna system med mekaniska system är bra om man kommer att jobba med drivteknik eller styrning med hjälp av el. Kraftelektronik används idag i nästan alla sammanhang för att styra och påverka apparater. Med grunderna i kursen känner man till möjligheter och problem som uppstår när kraftelektronik används. 8 (8)