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EMILIO LORENZANI
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
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Insegnamento: Azionamenti Elettrici
Ingegneria meccatronica (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Questo insegnamento ha l'obiettivo di fornire le conoscenze di base relative al funzionamento, al controllo e alla struttura delle seguenti tipologie di azionamenti elettrici:
1) azionamenti per macchine in corrente continua con analisi e sintesi dei regolatori degli anelli di controllo in retroazione;
2) azionamenti per macchine sincrone brushless DC e AC;
3) azionamenti per macchine a induzione
4) azionamenti per motori stepper.
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
Conoscenze/Abilità:
Conoscenza dell’Elettrotecnica e delle principali macchine elettriche statiche e dinamiche. Elementi di controlli automatici e diagrammi di Bode
Programma del corso
Legenda: 1 CFU corrisponde a 9 ore di lezione
La suddivisione dei contenuti per CFU e il dettaglio degli argomenti trattati possono subire leggere modifiche nel corso dell’insegnamento, anche alla luce della riposta degli studenti e delle studentesse.
27 ore corrispondenti a 3 CFU sono dedicate ai seguenti argomenti:
Introduzione generale agli azionamenti elettrici. Azionamenti per macchine in corrente continua. Modello dinamico della macchina e analisi delle funzioni di risposta armonica di interesse. Controllo in retroazione di corrente e di velocità. Determinazione dei regolatori dei vari controlli in retroazione. Reiezione al disturbo di coppia resistente. Fenomeno del windup. Alimentazione switching mediante ponte H con modulazione PWM, ripple di corrente e resistenza di frenatura.
Simulazioni in ambiente Matlab/Simulink del controllo in retroazione di corrente/coppia e di velocità della macchina in corrente continua.
18 ore corrispondenti a 2 CFU sono dedicate alle architetture di controllo e peciliarità a 2 tipologie di azionamenti per macchine brushless sincrone a magneti permanenti.
- Azionamento per macchina brushless DC (trapezoidale): funzionamento due-fasi-on e tre-fasi-on, calcolo della coppia erogata dal motore brushless DC. Alimentazione mediante ponte trifase. Controllo mediante sonde ad effetto Hall on/off.
- Azionamento per macchina brushless AC e controllo ad orientamento di campo. Introduzione ad alcuni sensori di posizione/velocità.
9 ore corrispondenti a 1 CFU sono dedicate:
- Controllo in catena per macchine a induzione e introduzione al controllo vettoriale.
- Azionamenti a moto incrementale per motori stepper, tipologie a riluttanza variabile, a magneti permanenti e ibridi. Controllo in catena aperta, microstepping.
Metodi didattici
L’insegnamento viene erogato in lingua italiana mediante lezioni frontali in presenza. Le lezioni comprendono una parte teorica e una parte di esercitazioni. Contestualmente all’introduzione dei nuovi concetti ne viene data subito l’applicazione tramite la soluzione di semplici esempi fino ad arrivare allo studio di sistemi complessi. Gli argomenti del corso vengono trattati con metodo analitico e/o euristico. La parte teorica consolida la comprensione e conoscenza degli argomenti esposti. Le esercitazioni hanno lo scopo di affinare le capacità applicative dello studente facendo uso dei metodi teorici esposti. La risoluzione degli esercizi avviene mediante metodi analitici e con l’utilizzo di ipotesi semplificative del modello del sistema. La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma fortemente consigliata.
Testi di riferimento
Testi di consultazione:
Shaahin Filizadeh. Electric Machines and Drives: Principles, control, modelling and simulation. CRC Press.
I. Boldea, S. A. Nasar : ELECTRIC DRIVES, CRC Press, New York, 1999.
P. Vas: VECTOR CONTROL of AC MACHINES, Oxford University Press, New York, 1990.
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, John Wiley & Sons Inc;
Verifica dell'apprendimento
L’esame si svolgerà al termine dell’insegnamento secondo il calendario ufficiale degli appelli d’esame.
L’esame consiste di una prova orale.
La prova orale si svolge sotto forma di colloquio della durata indicativa di 30-40 minuti e verte su tutti gli argomenti del corso.
Risultati attesi
Di seguito vengono riportati gli obiettivi di apprendimento, in riferimento ai descrittori di Dublino.
A. Conoscenza e capacità di comprensione delle seguenti tematiche.
1. Conoscere le architetture di controllo e dell’hardware presente negli azionamenti elettrici.
2. Conoscere gli schemi di controllo in retroazione di corrente/velocità/posizione di una macchina elettrica.
3. Saper sintetizzare i regolatori degli anelli in retroazione mediante analisi armonica (diagrammi di Bode) al di massimizzare la banda passante, minimizzare la reiezione al disturbo e massimizzare i margini di stabilità.
4. Saper simulare in ambiente Matlab/Simulink i controlli di macchine elettriche al fine di sintetizzare i regolatori ottimi.
5. Conoscere il controllo scalare di una macchina brushless DC e saperne individuare le criticità.
6. Conoscere il controllo ad orientamento di campo di una macchina brushless AC e saperne individuare le criticità.
7. Conoscere l'azionamento con controllo V/f per macchine a induzione.
8. Conoscere gli azionamenti a moto incrementale per motori stepper.
B. Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
1. Capacità di sintetizzare il regolatore/controllore ottimo per ottenere le prestazioni desiderate per un controllo in retroazione di corrente/velocità/posizione.
2. Comprendere i punti di forza e le criticità dei differenti azionamenti elettrici basati su differenti tipologie di macchine elettriche e sensoristica.
C. Capacità di apprendimento:
Utilizzare in autonomia gli strumenti metodologici acquisiti utili al proseguimento degli studi e all'aggiornamento delle proprie conoscenze e competenze al fine di facilitare l'adattamento ai cambiamenti tecnologici, organizzativi e contestuali.
D. Autonomia di giudizio:
1. Lo studente avrà sviluppato la capacità di affrontare con autonomia le scelte metodologiche di analisi e soluzione dei problemi relativi alle tematiche affrontate nel corso.
2. Lo studente saprà collegare in modo logicamente coerente i vari concetti e principi fondamentali dalla teoria per affrontare casistiche differenti da quelle viste a lezione
E. Abilità comunicative:
Lo studente avrà sviluppato la capacità di esporre in modo chiaro gli argomenti affrontati nel corso, argomentando con precisione e proprietà di linguaggio.