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DAVIDE BARATER

Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"

Insegnamento: High Performance Electric Drives and Laboratory

Electronics Engineering - Ingegneria Elettronica (D.M.270/04) (Offerta formativa 2022)

Obiettivi formativi

Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze sui convertitori di potenza per applicazioni di trazione elettrica e automazione industriale e sul principio di funzionamento e 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 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 controlli automatici e di elettronica.

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 0.5, 4 ore)


Principi generali relativi ai sistemi trifase, potenza attiva, reattiva e apparente
Raddrizzatori trifase non controllati.
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)

Conversione statica dell'energia elettrica
Introduzione e parametri di merito dei convertitori. Modulazione degli inverter trifase, PWM sinusoidale; modulazione "space vector". Circuiti di gate driver.
(CFU 1.5, 12 ore)

Convertitori VSI (Voltage Source Inverter) multilivello e CSI (Current Source Inverter)
Simulazione convertitori tramite Matlab/Plecs
(CFU 1.5, 12 ore)


Macchina brushless DC, coppia di impuntamento e skewing. Funzionamento due-fasi-on e tre-fasi-on, calcolo della coppia del brushless DC.
Controllo scalare mediante sonde ad effetto Hall on/off.
(CFU 0.5, 4 ore)

Macchina brushless AC (Surface mounted/Interior permanent magnet).
Trasformazioni di Clarke e Park, modello dinamico della macchina su assi rotanti. Controllo vettoriale e pilotaggio MTPA e MTPV . (CFU 1, 8 ore)

Controllo Vettoriale del motore a induzione e osservatori di flusso. (CFU 1, 8 ore)

Simulazione macchine elettriche, convertitori e controllo motore tramite Matlab/Plecs. CFU 1.5, 12 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 inclusa la progettazione della board tramite software dedicato.
(CFU 2.5, 20 ore)

Metodi didattici

L’insegnamento è erogato in lingua inglese e prevede lezioni frontali in presenza (teoria e calcoli). 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 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
Electric Motor Datasheet
Electronic components Datasheet

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

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.

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

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.