ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Electrical Machines and Motor Drive Systems I

1. ΓΕΝΙΚΑ

ΣΧΟΛΗ School of Engineering
ΤΜΗΜΑ Department of Industrial Engineering and Management
ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΠΟΥΔΩΝ Undergraduate
ΚΩΔΙΚΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 53 ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΠΟΥΔΩΝ 5th
ΤΙΤΛΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Electrical Machines and Motor Drive Systems I
ΑΥΤΟΤΕΛΕΙΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ
σε περίπτωση που οι πιστωτικές μονάδες απονέμονται σε διακριτά μέρη του μαθήματος π.χ. Διαλέξεις, Εργαστηριακές Ασκήσεις κ.λπ. Αν οι πιστωτικές μονάδες απονέμονται ενιαία για το σύνολο του μαθήματος αναγράψτε τις εβδομαδιαίες ώρες διδασκαλίας και το σύνολο των πιστωτικών μονάδων.
ΕΒΔΟΜΑΔΙΑΙΕΣ ΩΡΕΣ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ ΠΙΣΤΩΤΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ
Theory 6 7
Προσθέστε σειρές αν χρειαστεί. Η οργάνωση διδασκαλίας και οι διδακτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται περιγράφονται αναλυτικά στο 4.    
ΤΥΠΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ
Γενικής Υποδομής (ΓΥ),Ειδικής Υποδομής (ΕΥ), Γενικών Γνώσεων (ΓΓΔ) και Επιστημονικής Περιοχής (ΔΔΤΝ, ΕΔ, ΕΥΣ, ΗΛ, ΠΑ) .
 Core
ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ:  
ΓΛΩΣΣΑ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ και ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ:  Ελληνικά
ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΠΡΟΣΦΕΡΕΤΑΙ ΣΕ ΦΟΙΤΗΤΕΣ ERASMUS Ναι
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΣΕΛΙΔΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ (URL) https://exams-sm.the.ihu.gr/enrol/index.php?id=59

2. ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Μαθησιακά Αποτελέσματα
Περιγράφονται τα μαθησιακά αποτελέσματα του μαθήματος οι συγκεκριμένες  γνώσεις, δεξιότητες και ικανότητες καταλλήλου επιπέδου που θα αποκτήσουν οι φοιτητές μετά την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος.

The aim of the course is to provide theoretical and descriptive experience on the basic principles of electrical machines technology and the technology of the electronic power converters for motor driving. In particular, it puts emphasis on the documentation of the various types of electrical motors that have a significant role in industrial technological applications, the analysis of their operating principles, their construction details and their mathematical modelling. Furthermore, the course focuses also on electrical energy conversion applications with direct use in an industrial environment and motion applications such as AC/DC and DC/DC power supplies and DC/AC inverters, presenting their operational characteristics, their construction details and modelling principles. Being a course with a specific scientific and technological area focus, it offers to the new Industrial & Management Engineer the background for the comprehension and the implementation of various applications that refer to motor drive systems and their speed and torque control. In addition, it provides the opportunity to understand the use of power electronics converter systems for motor drives. The consistent and successful completion of the course, has the expected outcome to enable the student to:
a) identify the type of an electrical machine, classify it and be in a position to electrically connect it.
b) comprehend the basic properties of each type of an electrical machine and determine its mechanical and electrical behaviour.
c) select, based on technoeconomic criteria, the optimal type of electric motion for a particular application.
d) calculate the efficiency of a motor drive system.
e) take decisions on preventive and repressive maintenance of electrical motors.
f) be in a position to classify the various power electronic converters based on their characteristics and the type of application.
g) be in position to understand the basic operational specifications of an existing (currently in use) power electronic converter and to set the necessary specifications of new converters based on the intended application.
h) comprehend the operational characteristics of a converters, the potential impact of their operation on power quality in an industrial environment and the ways to alleviate the consequences.
i) understand the construction characteristics and the structure of the converters, so that, if possible, to be in a position to replace parts or perform maintenance.
j) understand the basic principles of power converters use for industrial control of energy supply and motion systems.
k) be in a position to perform basic design of power converters use, depending on the application.

Γενικές Ικανότητες
Λαμβάνοντας υπόψη τις γενικές ικανότητες που πρέπει να έχει αποκτήσει ο πτυχιούχος (όπως αυτές αναγράφονται στο Παράρτημα Διπλώματος και παρατίθενται ακολούθως) σε ποια / ποιες από αυτές αποσκοπεί το μάθημα;.
Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών - Προσαρμογή σε νέες καταστάσεις - Λήψη αποφάσεων - Αυτόνομη εργασία - Ομαδική εργασία - Εργασία σε διεθνές περιβάλλον - Εργασία σε διεπιστημονικό περιβάλλον - Παράγωγή νέων ερευνητικών ιδεών Σχεδιασμός και διαχείριση έργων - Σεβασμός στη διαφορετικότητα και στην πολυπολιτισμικότητα - Σεβασμός στο φυσικό περιβάλλον - Επίδειξη κοινωνικής, επαγγελματικής και ηθικής υπευθυνότητας και ευαισθησίας σε θέματα φύλου - Άσκηση κριτικής και αυτοκριτικής - Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Practical application of knowledge, search, analysis and synthesis of information and data using appropriate technologies; Adjustment to new situations; Decision making; Autonomous work; Team work; Work in an interdisciplinary environment.
Design and project management; promotion of free, creative and inductive thinking; priorities setting; production of new research ideas; compliance to guidelines of good practices.

3. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

1. Basic principles from rotating systems mechanics: angular speed, mechanical power of a rotating shaft, moment of inertia, Newton’s law for rotation, energy, mechanical work, power, principle of energy/power conservation. Introduction: basic families of motor drives converters and indicative applications, basic mathematical principles (DC and rms values of voltage and current waveforms).
2. Basic principles from electromagnetic fields theory (electrotechnology). Magnetic flux production. Permanent magnets, electromagnets, ferromagnetic materials, magnetization (hysteresis) curve. DC and AC electrical circuits, using switches: state-space analysis and equations, plotting of current waveforms, basic calculations and examples.
3. Faraday’s induction law, Laplace force on a current carrying conductor, electromotive (emf) force on a conductor that moves inside a magnetic field. Magnetic flux density and intensity.. Measurement units Wb, T, A/m. Basic power electronics switches in motor drives converters: diode, thyristor, power transistor, IGBT, MOSFET, GTO, characteristics and applications examples.
4. Transformers. Power diodes: use, selection, basic circuits with power diodes (single and three phase), ripple calculations, capacitor charging/discharging issues, examples. Diode converters specifications.
5. The simplest electrical machine: two conductors inside a constant magnetic field. Voltage production, torque production. Brushes. The general case for more conductors. Equations E=kωφ anf T=kIφ. Structure of a DC machine. Thyristors: use, selection, basic circuits with controlled AC/DC motor drive converters (single or three phase) using thyristors, ripple calculations, examples. Thyristor converters specifications.
6. Armature reaction, distortion of magnetic field, reduction of magnetic flux under load conditions, solutions applied. Winding types, lap and wave windings. Construction details: axis (shaft), bearings, fan, commutator, brush holders, cooling fins, technological materials. The principle of “power quality”: harmonics in power networks, origin, presence in dc and ac systems, effects, harmonic standards requirements, THD.
7. Type of DC motors excitations: permanent magnets (PM), separately-parallel-in series-compound excited machines. Speed/torque characteristic for each type of excitation. Typical applications of each type of the machines. Introduction to single phase inverters with power transistors: basic operational principles, principles of modulation, PWM, applications and examples.
8. Speed control in a DC motor. Variable speed drives (DC drives): principle of operation and industrial applications. PWM operating principles, basic control parameters, implementation of sinusoidal PWM and applications in DC/AC converters. PWM harmonics. Examples and design.
9. AC machines classification map. Terminology. The permanent magnet synchronous machine as a reversed DC machine. Rotating magnetic field. Brushless commutation in the stator. Similarities and differences with the DC machine. Three phase inverters with power transistors: basic operating principles, 6 pulse and PWM operation. Applications in motor drive systems. Introduction to basic motor control principles.
10. Introduction to the permanent magnet synchronous motor: PMAC, PMSM and BLDC machines. Drives requirements for operating synchronous motors. Starting torque and acceleration procedure. Description of a basic servo drive. Speed control. AC motor drives operating principles – control methods.
11. Short introduction to separately excited synchronous machines as generators. Special machines for servomotor systems: step motor, synchro machine etc. Short introduction to induction motors. Capability of producing a magnetic field from the rotor without PM or electromagnets. DC/DC step down (buck) converter: operating principle, design, application, voltage control.
12. The rotating transformer. Types of rotor winding in an induction motor: squirrel cage and wound rotor machines. Slip. The nameplate of an induction motor. Star (Y) and Delta (D) connection. Terminal box. DC/DC step up (boost) converter: operating principle, design, application, voltage control.
13. The equivalent circuit of an induction motor. Parameters that influence the magnetizing current. Speed control with VFD. Speed/torque characteristic for a squirrel cage and wound rotor machine. Wound rotor machine application in contrast to the squirrel case. Power losses in an induction motor. Examples, exercises. Operating principles of DC motor drives – control methods.

4. ΔΙΔΑΚΤΙΚΕΣ και ΜΑΘΗΣΙΑΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ - ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ

ΤΡΟΠΟΣ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ
Πρόσωπο με πρόσωπο, Εξ αποστάσεως εκπαίδευση κ.λπ.

Class theory, teaching in discussion groups and students’ active participation. The lectures are supported by presentations of the total content, while the whiteboard is used: a) for further elaboration of selected thematic sections, b) for the promotion of the students’ active participation in step-by-step problems solving and examples process.

ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ
Χρήση Τ.Π.Ε. στη Διδασκαλία, στην Εργαστηριακή Εκπαίδευση, στην Επικοινωνία με τους φοιτητές
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑΣ
Περιγράφονται αναλυτικά ο τρόπος και μέθοδοι διδασκαλίας. Διαλέξεις, Σεμινάρια, Εργαστηριακή Άσκηση, Άσκηση Πεδίου, Μελέτη & ανάλυση βιβλιογραφίας, Φροντιστήριο, Πρακτική (Τοποθέτηση), Κλινική Άσκηση, Καλλιτεχνικό Εργαστήριο, Διαδραστική διδασκαλία, Εκπαιδευτικές επισκέψεις, Εκπόνηση μελέτης (project), Συγγραφή εργασίας / εργασιών, Καλλιτεχνική δημιουργία, κ.λπ. Αναγράφονται οι ώρες μελέτης του φοιτητή για κάθε μαθησιακή δραστηριότητα καθώς και οι ώρες μη καθοδηγούμενης μελέτης ώστε ο συνολικός φόρτος εργασίας σε επίπεδο εξαμήνου να αντιστοιχεί στα standards του ECTS
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ
Περιγραφή της διαδικασίας αξιολόγησης Γλώσσα Αξιολόγησης, Μέθοδοι αξιολόγησης, Διαμορφωτική ή Συμπερασματική, Δοκιμασία Πολλαπλής Επιλογής, Ερωτήσεις Σύντομης Απάντησης, Ερωτήσεις Ανάπτυξης Δοκιμίων, Επίλυση Προβλημάτων, Γραπτή Εργασία, Έκθεση / Αναφορά, Προφορική Εξέταση, Δημόσια Παρουσίαση, Εργαστηριακή Εργασία, Κλινική Εξέταση Ασθενούς, Καλλιτεχνική Ερμηνεία, Άλλη / Άλλες. Αναφέρονται ρητά προσδιορισμένα κριτήρια αξιολόγησης και εάν και που είναι προσβάσιμα από τους φοιτητές.

The course grade is formulated by a final written exam which may contain: multiple choice questions, problems solving based on knowledge acquired, short answers’ questions, comparative assessment of theoretical principles.

5. ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Συγγράμματα

1. Chapman S., «Electric Machinery Fundamentals», 5th Edition, ISBN-13: 978-0073529547, McGraw Hill
2. Fitzgerald, Kinglsey, Umans, “Electric Machinery”, 6th Edition, ISBN-13: 978-0071230100, McGraw Hill
3. Mohan N., Undeland T and Robbins W, “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, ISBN-13: 978-0471226932, John Wiley & Sons Inc.