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EMILIO LORENZANI
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
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Insegnamento: Advanced Electric Drives and Power Converters Systems
Digital Automation Engineering (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Il corso mira a fornire una conoscenza approfondita dell'architettura, dell'elettronica di potenza e del controllo di azionamenti elettrici e convertitori di potenza ad alte prestazioni. Verrà analizzato in dettaglio il principio di funzionamento delle macchine elettriche e dei trasduttori, insieme alle topologie di convertitori di potenza, in grado di gestire flussi di potenza unidirezionali/bidirezionali e di accumulo di energia. I partecipanti impareranno come ottimizzare i principali schemi dell'architettura di controllo per il controllo di coppia/velocità/posizione, compresi i convertitori di elettronica di potenza, utilizzando moderni metodi di simulazione e schede di valutazione.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi.
Prerequisiti
nozioni di fisica ed elettrotecnica, nozioni 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 risposta degli studenti e delle studentesse.
18 ore corrispondenti a 2 CFU sono dedicate ai seguenti argomenti:
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 e fenomeno del windup.
Simulazioni in ambiente Matlab/Simulink di differenti controlli in retroazione per la macchina in corrente continua.
31,5 ore corrispondenti a 3.5 CFU sono dedicate alle architetture di controllo e peciliarità di 2 tipologie di azionamenti per macchine brushless sincrone a magneti permanenti, comprensiva di elettronica di potenza e sensori.
- Azionamenti per macchine brushless DC (trapezoidale): struttura della macchina e controllo.
- Azionamento per macchine brushless AC con magneti superficiali e magneti interni. Teoria del controllo ad orientamento di campo e cenni di tecniche MTPA e MTPV.
- Analisi dei vari sensori di corrente e di posizione usati negli azionamenti elettrici.
-Simulazione di alcuni dei controlli proposti in ambiente Matlab/Simulink o Plecs.
4.5 ore corrispondenti a 0.5 CFU sono dedicate:
- Controllo in catena aperta per macchine a induzione e introduzione al controllo ad orientamento di campo.
- Azionamenti a moto incrementale con motori stepper. Controllo in catena aperta, microstepping.
18 ore corrispondenti a 2 CFU sono dedicate ai seguenti argomenti:
Principi di conversione dell'energia. Confronto tra conversione/regolazione con architetture lineari e switching.
Modulazione a larghezza di impulso (PWM). Condizione di regime permanente e metodologia di analisi dei convertitori Switching.
Principio di funzionamento e criteri di progettazione di:
1. Convertitori elettronici di potenza DC-DC non isolati:
2. Convertitori DC/DC isolati e convertitore DC/DC full-bridge.
3. Introduzione all’ambiente Plecs per la simulazione numerica dei convertitori elettronici di potenza.
27 ore corrispondenti a 3 CFU sono dedicate ai seguenti argomenti:
1. Topologie a ponte. Modulazioni PWM per motori DC, singola e doppia modulante.
2. Modulazioni PWM per motori AC. Inverter (DC/AC) monofase e trifase. Indice di modulazione di ampiezza e di frequenza.
3. Tecniche di modulazione avanzate: space vector modulation SVM
9 ore corrispondenti a 1 CFU sono dedicate ai seguenti argomenti:
1. Introduzione alla determinazione delle perdite e modellazione termica dei convertitori
2. Introduzione alla regolazione e controllo di convertitori e strumenti simulativi per ricavare la funzione di trasferimento di un convertitore.
3. Effetti secondari della modulazione PWM e fenomeni di interferenza.
Sono previste attività di applicazione pratica delle conoscenze acquisite che riguarderanno la simulazione al calcolatore e la sintesi del controllo di un azionamento elettrico con associato convertitore elettronico di potenza, andando a riportare i risultati in una relazione di progetto.
Metodi didattici
L’insegnamento viene erogato in lingua inglese, mediante lezioni frontali in presenza. La frequenza non è obbligatoria, ma caldamente consigliata. 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 nella soluzione di esercizi numerici e applicazioni pratiche, 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.
Testi di riferimento
Reference/consultation books:
Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications, and Design", Wiley; 3rd Bk&Cdr edition
Shaahin Filizadeh. Electric Machines and Drives: Principles, control, modelling and simulation. CRC Press.
A. E. Fitzgerald , C. Jr. Kingsley , A. Kusko: "Electric machinery", McGraw-Hill Education, 2012.
I. Boldea, S. A. Nasar : ELECTRIC DRIVES, CRC Press, New York, 1999.
A. E. Fitzgerald , C. Jr. Kingsley , A. Kusko: "Electric machinery", McGraw-Hill Education, 2012.
The slides used during the course will be available on TEAMS platform (in compliance with copyright).
Verifica dell'apprendimento
- Modalità di valutazione: Esame con prove intermedie. La valutazione è svolta in due fasi.
1) Prova intermedia (40% del voto): composta da un esame scritto comprendente esercizi e domande di teoria a risposta aperta che si svolgerà nella pausa della didattica del secondo semestre. È indispensabile ottenere un voto positivo per passare al successivo esame orale parziale. Gli studenti che non effettueranno la prova intermedia o che dovessero ottenere un voto insufficiente saranno tenuti a sostenere l’esame standard. Il voto della prova intermedia resta valido per l’intera sessione estiva, appello di settembre incluso.
Materiali utili per sostenere la prova intermedia e consentiti durante la stessa:
durante l'esame scritto non è ammesso l'uso di materiale informativo (slides, testi o altro), ma solo carta e penna e calcolatrice.
2) Esame orale parziale - colloquio (60% del voto): domande su tutto il programma trattato nelle ore di lezione e di laboratorio, relativo alla seconda parte dell’insegnamento. Il tempo previsto per l'esame orale parziale è di 30-40 minuti.
- Modalità di valutazione: Esame standard. La valutazione è interamente determinata dall’esito dell’esame orale.
Esame orale - colloquio (100% del voto): domande su tutto il programma trattato nelle ore di lezione e di laboratorio. Il tempo previsto per l'esame orale completo è di 40-60 minuti.
Saranno stabilite sei date di appello per gli esami orali (parziali o standard) nel corso dell'anno accademico. Gli studenti dovranno iscriversi agli appelli attraverso la piattaforma ESSE3.
Tutti gli esami si svolgeranno in presenza (o in altre modalità da definirsi in base all'evoluzione della pandemia).
Risultati attesi
Di seguito vengono riportati gli obiettivi di apprendimento, in riferimento ai descrittori di Dublino.
Conoscenza e capacità di comprensione
1. Azionamenti elettrici: hardware e architetture di controllo.
2. Schema di controllo ad anello chiuso di corrente/velocità/posizione di una macchina elettrica.
3. Sintesi dei regolatori/regolatori mediante analisi armonica
4. Simulazione in ambiente Matlab/Simulink dei comandi degli azionamenti elettrici.
5. Controllo scalare di una macchina DC brushless.
6. Controllo orientato al campo di una macchina AC brushless.
7. V / f e controllo orientato al campo per macchine a induzione.
8. Azionamenti a movimento incrementale per motori passo-passo.
9. Peculiarità, vantaggi e svantaggi delle architetture di conversione lineare e switching.
10. Criteri di dimensionamento dei componenti principali di un convertitore switching (induttori, condensatori, diodi e transistor)
11. Struttura e principio di funzionamento del ponte e convertitori CC/CA: Convertitori a semiponte. Convertitore full bridge e tecniche di modulazione PWM incluso SVM.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
1. Capacità di sintetizzare il regolatore/regolatore ottimale per ottenere le prestazioni desiderate per il controllo del feedback di corrente/velocità/posizione.
2. Comprendere i punti di forza e le criticità dei diversi azionamenti elettrici basati su diversi tipi di macchine elettriche e sensori
3. Capacità di dimensionare tutti i componenti (induttori, condensatori, diodi e transistor) di qualsiasi convertitore DC/DC al fine di soddisfare le specifiche ei vincoli del progetto assegnato.
4. Capacità di utilizzare strumenti di simulazione numerica per lo studio e l'analisi di topologie di convertitori elettronici.
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.
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
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.