Drivsystem för elfordon och vindkraftverk
Drivetrains for Electric Vehicles and Wind Turbines

EIEN80, 7.5 högskolepoäng, A (Avancerad nivå)

Gäller för: 2024/25
Fakultet: Lunds tekniska högskola
Beslutad av: Programledning E
Beslutsdatum: 2024-04-02
Ikraftträdande: 2024-05-08

Allmänna uppgifter

Fördjupning: Avancerad nivå, kurs/er som inte kan klassificeras
Valfri för: E4-em, F4, F4-es, M4-me, M4-tt, N4-es
Undervisningsspråk: Kursen ges på begäran på engelska

Syfte

Nästan all elektrisk energi som används i samhället bearbetas av switchad kraftelektronik, från mobiltelefonladdare till motordrift i tunga fullelektriska lastbilar, från vindkraftgenerering till laddningsstationer för elfordon etc. Det finns stora likheter mellan många applikationer, som ett motordrivsystem för ett elfordon eller ett vindkraftverk som arbetar med variabel rotorhastighet.

För att kunna styra sådana applikationer krävs detaljerade kunskaper om hur de elektriska maskinerna och den inblandade kraftelektroniken ska utformas och styras. I en elbil är räckvidden, traktionskontrollen, det akustiska ljudet och vridmomentkvaliteten direkt beroende av kontrollen som appliceras av kraftelektroniken. I ett vindkraftverk är verkningsgraden, ljudnivån, effektkvaliteten med mera också starkt beroende av kraftelektronisk styrning.

Gemensamt för dessa två tillämpningar, och för många fler, är en detaljerad förståelse för hur man modellerar och styr "elektromekaniska energiomvandlare", dvs. elektriska maskiner i motor- eller generatordrift, med hjälp av kraftelektroniska omvandlare.

Syftet med denna kurs är att ge de kunskaper som behövs för att delta i utveckling och styrning av drivlina i moderna elfordon och i vindkraftsproduktion. Denna kurs behöver föregås av kursen "Power Electronic Control and Design Project", eller liknande kunskaper.

Mål

Kunskap och förståelse
För godkänd kurs skall studenten

• enskilt och skriftligt kunna redovisa förståelse för hur de viktigaste fysikaliska egenskaperna hos en given energikälla (t.ex. ett eldrivsystem i fordon i generatorisk drift, en vindkraftsgenerator eller ett solcellssystem), energiomvandlare (elmaskin, högtalare) eller energilager (batteri, elektrolysanläggning) modelleras med avseende på kraftelektronisk energistyrning,
• visa förståelse för de grundläggande principerna för elektromekanisk energiomvandling som tillämpas i elfordon och vindkraftverk,
• visa förståelse för hur egenskaper hos den fysiska konstruktionen av elektromekaniska energiomvandlare (”elmotorer och generatorer”) påverkar prestandan i applikationer som elfordon och vindkraftverk.

Färdighet och förmåga
För godkänd kurs skall studenten

• visa förmåga att välja och specificera huvudegenskaperna hos en elektromekanisk energiomvandlare baserat på driftsspecifikationer för ett elfordon och ett vindkraftverk,
• visa förmåga att beräkna eller mäta de parametrar som behövs för kraftelektronisk styrning av fordonet eller vindkraftsproduktionen,
• visa förmåga att implementera ett lämpligt styrsystem i en kraftelektroniskt styrd drivlina i en simuleringsmiljö baserat på de beräknade parametrarna,
• visa förmåga att implementera ett lämpligt styrsystem i en kraftelektroniskt styrd drivlina i laboratorium baserat på de beräknade parametrarna.

Värderingsförmåga och förhållningssätt
För godkänd kurs skall studenten

• enskilt kunna bedöma lämpligheten av kraftelektroniska lösningar avseende fysisk och elektromagnetisk miljöpåverkan samt energieffektivitet.

Kursinnehåll

Föreläsningar och räkneövningar

Modulering och strömreglermetoder för kraftelektronikkretsar. Detta är en repetition av nödvändiga förkunskaper byggda i föregående kurs EIENnn "Power Electronic Control and Design Project". Design av EV-drivlinor baserad på fordonets prestandakrav. Batterispänningsnivå, Kraftelektronisk kopplingsfrekvens, Maximal fordonshastighet, Accelerationskrav, krav på backe, Storlekskrav, Antal växlar.

Vindkraftverksdesign baserad på prestandakrav. Turbinstorlek och rotorhastighetsområde, mekanisk och elektrisk transmission, effektoptimering beroende på vindhastighet, krav på stödtjänster.

Modellering av elektriska maskiner. Momentkarta, flödeskarta, spänningsbegränsning, strömbegränsningar, optimala driftpunkter. Tillämpningar på både elbilar och vindkraftsgenerering.

Styrning av elektriska maskiner. Optimala driftpunkter, Vridmomentkontroll, Magnetiska flödesbegränsningar, Fältförsvagningskontroll, Applikationer på både elbilar och vindkraftverk.

Simuleringsuppgifter och laborationer

● Elektrisk maskin (PMSM) i ett fordonsdrivsystem.

● Elektrisk maskin (PMSM) i ett vindkraftssystem.

Dessa laborationer förbereds genom simuleringsarbete vilket rapporteras som en hemuppgift före laborationen. Efter laborationen skrivs en rapport där simuleringar och mätningar jämförs.

Kursens examination

Betygsskala: TH - (U, 3, 4, 5) - (Underkänd, Tre, Fyra, Fem)
Prestationsbedömning: För slutbetyg fordras godkända laborationer och simuleringar som redovisas fortlöpande i rapportform. Individuell skriftlig tentamen (5 tim) av problemlösningstyp med insprängda teorifrågor vid kursens slut.

Om så krävs för att en student med varaktig funktionsnedsättning ska ges ett likvärdigt examinationsalternativ jämfört med en student utan funktionsnedsättning, så kan examinator efter samråd med universitetets avdelning för pedagogiskt stöd fatta beslut om alternativ examinationsform för berörd student.

Moduler
Kod: 0124. Benämning: Kraftelektronik - motorstyrning.
Antal högskolepoäng: 5.0. Betygsskala: TH - (U, 3, 4, 5). Prestationsbedömning: Godkänd skriftlig tentamen Modulen omfattar: Tentamen
Kod: 0224. Benämning: Laborationer och simuleringar.
Antal högskolepoäng: 2.5. Betygsskala: UG - (U, G). Prestationsbedömning: Godkända laborationer och rapporter. Modulen omfattar: Laborationer och rapporter.

Antagningsuppgifter

Förutsatta förkunskaper: EIENnn Power Electronic Control and Design Project, ESSF01 Analog elektronik, ESS030/ESSF20 Komponentfysik, ESSF15 Elenergiteknik (E, W), MIE012/EIEF35 Elektroteknikens grunder (M) eller EITF90 Ellära och elektronik (F) samt FRT010/FRTF05 Reglerteknik, Allmän kurs.
Begränsat antal platser: Nej
Kursen överlappar följande kurser: EIE041 EIE015 EIEN25

Kurslitteratur

• Alaküla M, Karlsson P: Kompendium i Power Electronics – Devices, Circuits, Control and Applications. IEA, LTH.

Kontaktinfo

Kursansvarig: Professor Mats Alaküla, mats.alakula@iea.lth.se
Hemsida: https://www.lth.se/iea/utbildning/valfria-kurser-i-lund/tillaempad-kraftelektronik/

Övrig information