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DAVIDE BARATER
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: High Performance Electric Drives and Laboratory
Electronics Engineering - Ingegneria Elettronica (Offerta formativa 2021)
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze sul principio di funzionamento e sul controllo delle più diffuse macchine elettriche. In particolare il corso si propone di presentare le principali problematiche relative all'impiego degli azionamenti elettrici in campo industriale e automotive. Vengono esaminati gli azionamenti elettrici in corrente continua ed in corrente alternata, in modo da evidenziarne le caratteristiche di funzionamento.
Inoltre, l'insegnamento ha l'obiettivo di fornire le conoscenze di base relative all’analisi e alla progettazione degli azionamenti elettrici.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo.
Prerequisiti
Si presuppone nello studente la familiarità con le nozioni di matematica, fisica ed elettrotecnica.
Programma del corso
La suddivisione dei contenuti per CFU è da intendere come puramente indicativa. Essa può infatti subire modifiche nel corso dell’insegnamento alla luce dei feedback degli studenti e delle studentesse.
Introduzione agli Azionamenti elettrici e ai loro componenti principali. Azionamenti industriali, per trazione, controlli di coppia e velocità (CFU 1, 8 ore)
Macchina elettrica in corrente continua. Modello dinamico, controllo in retroazione di coppia (corrente) e di velocità (posizione). (CFU 2, 16 ore)
Principi generali relativi ai sistemi trifase, potenza attiva, reattiva e apparente
Ponte trifase e convertitori multilivello.
Sensori di corrente: resistenza di shunt, sensore ad effetto Hall con e senza compensazione. Sensori di posizione e velocità: dinamo tachimetrica, encoder assoluto e incrementale, resolver.
(CFU 1, 8 ore)
Macchina brushless DC, coppia di impuntamento e skewing. Funzionamento due-fasi-on e tre-fasi-on, calcolo della coppia del brushless DC.
Controllo mediante sonde ad effetto Hall on/off.
(CFU 1, 8 ore)
Macchina brushless AC.
Trasformazioni di Clarke e Park, modello dinamico della macchina su assi rotanti. Controllo vettoriale e pilotaggio MTPA e MTPV.
(CFU 1, 8 ore)
Conversione statica dell'energia elettrica
Introduzione e parametri di merito dei convertitori. Modulazione degli inverter a ponte: PWM a impulso singolo, a impulsi multipli, sinusoidale; modulazione "space vector", circuiti di gate driver.
(CFU 1, 8 ore)
Introduzione ai controlli embedded con microcontrollori e DSP.
Differenze fra DSP e microcontrollori, tecniche di saturazione numerica, programmazione orientata agli eventi
(CFU 2, 16 ore)
Tutorial sull'utilizzo di ambienti di sviluppo integrati per DSP e microcontrollori commerciali.
(CFU 1, 8 ore)
Realizzazione in laboratorio di un controllo digitale per motori elettrici basato su DSP o microcontrollore.
(CFU 2, 16 ore)
Metodi didattici
L’insegnamento è erogato in lingua inglese e prevede lezioni frontali in presenza (teoria e calcoli) e con collegamento anche in streaming per studenti che seguono da remoto tramite piattaforma “Teams”. Le lezioni vengono svolte con l’ausilio di sistemi multimediali e prevedono esercitazioni pratiche in cui gli studenti utilizzano software per la simulazione di azionamenti elettrici (Matlab/Simulink e PLECS) e di programmazione per la lo sviluppo di algoritmi di controllo degli azionamenti elettrici.
Inoltre i docenti ricevono gli studenti su appuntamento per chiarimenti e tutoraggio personalizzato.
Il materiale didattico sarà reso disponibile al termine di ogni lezione attraverso la piattaforma “Teams”.
I modelli matematici introdotti saranno impiegati per la modellazione numerica e simulazione al calcolatore con Matlab/Simulink e PLECS.
Testi di riferimento
Reference books:
Shaahin Filizadeh. Electric Machines and Drives: Principles, control, modelling and simulation. CRC Press.
W. Bolton, "Mechatronics - electronic control systems in mechanical and electrical engineering", 4th ed., Pearson Educational, ISBN 978-0-13- 240763-2.
M. Rashid, "Power electronics", 3rd ed., Prentice-Hall, ISBN 0-13-122815- 3
On the TEAMS of the course (in compliance with copyright)
- The notes used by the professor during the lectures and numerical exercises
- the slides of the lessons
- The mathematical models introduced for numerical modeling and computer simulation with Matlab / Simulink and PLECS
Verifica dell'apprendimento
L'esame si svolgerà al termine dell’insegnamento secondo il calendario ufficiale degli appelli d’esame.
L’esame prevede un progetto applicativo e una prova orale.
1: Progetto applicativo comprende la stesura di una relazione riguardante la simulazione e progettazione di un azionamento elettrico controllato in coppia e velocità
Dovrà essere redatta una relazione sull'attività svolta, comprensiva dei risultati simulativi e sperimentali.
La valutazione del progetto è espressa in trentesimi (un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode).
2: una prova orale finalizzata a verificare la conoscenza dei contenuti del corso. La prova orale consiste nella discussione dell'attività di progetto svolta e di 2 domande riguardanti gli argomenti del corso. La prova avrà una durata di circa 45 minuti.
Gli indicatori di valutazione della prova sono:
- Capacità di utilizzare le conoscenze (25 %)
- Capacità di collegare le conoscenze (25 %);
- Padronanza del linguaggio tecnico (15 %);
- Capacità di discutere gli argomenti (20 %)
- Capacità di approfondire gli argomenti (15 %)
La valutazione della prova orale è espressa in trentesimi (un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode).
Per superare l’esame entrambe le prove devono risultare sufficienti (superare il valore di soglia di 18/30). Il voto finale è la media dei voti ottenuti nelle due prove, un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode.
Il voto verrà determinato e comunicato al termine della prova orale.
Risultati attesi
1) Conoscenza e capacità di comprensione
al termine del Corso, si auspica che lo/a studente/essa sia in grado di:
- sapersi orientare all’interno di applicazioni che richiedono l’utilizzo di azionamenti elettrici, riconoscendone i componenti principali;
- descrivere con nettezza e lucidità i principali componenti di un azionamento elettrico e le loro caratteristiche principali.
2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate
per ogni tipologia di azionamento, saper riconoscere
- i dettagli costruttivi;
- i principi di funzionamento;;
- i principali schemi e algoritmi di controllo;
- le possibili applicazioni (industriale, autotrazione, elettrodomestici, ecc.);
- le linee guida e le formule di dimensionamento del sistema di controllo degli azionamenti elettrici
3) Autonomia di giudizio
- Analizzare e valutare gli aspetti quantitativi dei processi di modellizzazione e progettazione di un azionamento elettrico
- Esprimere un giudizio critico sui principali dispositivi che compongono un azionamento elettrico compresi: le macchine elettriche, i convertitori di potenza ed i relativi algoritmi di controllo e gestione, in modo da evidenziare le caratteristiche di funzionamento e di impiego.
4) Abilità comunicative
- Comunicare in modo chiaro le conoscenze e le capacità di comprensione acquisite.
- Utilizzare in maniera corretta e appropriata linguaggio, concetti e modelli acquisiti per discutere efficacemente delle soluzioni progettuali e dei principali soluzioni per il dimensionamento degli azionamenti elettrici
5) Capacità di apprendere
- Applicare le conoscenze e le capacità di comprensione apprese ad altri temi relativi alla progettazione degli azionamenti elettrici
- Aggiornare in autonomia le conoscenze e le capacità di comprensione relative alla progettazione e all’analisi dei circuiti di elettronica di potenza.