Il corso ha l’obiettivo di descrivere le macchine elettriche e i convertitori elettronici di potenza impiegati negli azionamenti elettrici per le applicazioni marine, di presentarne i modelli con riferimento al funzionamento in regime dinamico e alla relativa regolazione con tecniche di controllo lineare. Gli Studenti acquisiranno le competenze necessarie ad affrontare le problematiche per una corretta scelta degli azionamenti elettrici da impiegare, sulla base dell’applicazione di riferimento, delle specifiche tecniche e delle prestazioni desiderate.
scheda docente materiale didattico
• Introduzione agli azionamenti elettrici: definizioni, classificazione, componenti, obiettivi, prestazioni e tipi di servizio.
• Richiami sui componenti passivi reali e ideali e sui semiconduttori; giunzione PN, diodi di potenza, tiristori, MOSFET e IGBT.
• Transitori di accensione e spegnimento; perdite di conduzione e di commutazione.
• Fondamenti della conversione statica dell'energia: convertitori monofase e trifase AC/DC, convertitori DC/DC, inverter monofase e trifase DC/AC e inverter multilivello NPC.
• Tecniche PWM carrier-based, modulazione bipolare e unipolare, dead time e iniezione di terza armonica.
• Modellazione e simulazione dei convertitori in MATLAB/Simulink; prove sperimentali su ponte a diodi, convertitore step-down e inverter trifase.
Modulo 2 Macchine elettriche e azionamenti marini
• Sistemi lineari, funzioni di trasferimento, risposta in frequenza e regolatori industriali P, PI e PID nei domini continuo e discreto.
• Richiami sui circuiti magnetici, sul campo magnetico rotante e sui principi di funzionamento delle macchine elettriche.
• Trasformazioni abc-alfa beta e alfa beta-dq0; potenza e coppia nel riferimento rotante.
• Modello dinamico della macchina sincrona e analisi in regime sinusoidale.
• Macchine sincrone a rotore avvolto, a magneti permanenti superficiali e interni e a riluttanza; controllo di coppia, MTPA, disaccoppiamento degli assi e deflussaggio.
• Modello dinamico della macchina asincrona, coefficienti di auto e mutua induzione, circuito equivalente dinamico e coppia elettromagnetica nel riferimento dq0.
• Controllo vettoriale a orientamento di campo diretto e indiretto delle macchine sincrone e asincrone.
• Introduzione ai sistemi embedded basati su PLC, microcontrollori, DSP e FPGA e al software National Instruments LabVIEW.
• Simulazione, sintesi del controllo e verifica sperimentale di azionamenti elettrici; sistemi hardware-in-the-loop e tendenze evolutive del settore.
• Ion Boldea, Syed A. Nasar, Electric Drives, Third Edition, CRC Press, 2016, ISBN 9781498748209.
• Bimal K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR, 2002.
• Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, Power Electronics Converters Applications and Design, Wiley, ISBN 0471226939.
• Ned Mohan, Advanced Electric Drives Analysis Control and Modeling Using MATLAB Simulink, Wiley, ISBN 9781118485484.
Programma
Modulo 1 Convertitori elettronici di potenza• Introduzione agli azionamenti elettrici: definizioni, classificazione, componenti, obiettivi, prestazioni e tipi di servizio.
• Richiami sui componenti passivi reali e ideali e sui semiconduttori; giunzione PN, diodi di potenza, tiristori, MOSFET e IGBT.
• Transitori di accensione e spegnimento; perdite di conduzione e di commutazione.
• Fondamenti della conversione statica dell'energia: convertitori monofase e trifase AC/DC, convertitori DC/DC, inverter monofase e trifase DC/AC e inverter multilivello NPC.
• Tecniche PWM carrier-based, modulazione bipolare e unipolare, dead time e iniezione di terza armonica.
• Modellazione e simulazione dei convertitori in MATLAB/Simulink; prove sperimentali su ponte a diodi, convertitore step-down e inverter trifase.
Modulo 2 Macchine elettriche e azionamenti marini
• Sistemi lineari, funzioni di trasferimento, risposta in frequenza e regolatori industriali P, PI e PID nei domini continuo e discreto.
• Richiami sui circuiti magnetici, sul campo magnetico rotante e sui principi di funzionamento delle macchine elettriche.
• Trasformazioni abc-alfa beta e alfa beta-dq0; potenza e coppia nel riferimento rotante.
• Modello dinamico della macchina sincrona e analisi in regime sinusoidale.
• Macchine sincrone a rotore avvolto, a magneti permanenti superficiali e interni e a riluttanza; controllo di coppia, MTPA, disaccoppiamento degli assi e deflussaggio.
• Modello dinamico della macchina asincrona, coefficienti di auto e mutua induzione, circuito equivalente dinamico e coppia elettromagnetica nel riferimento dq0.
• Controllo vettoriale a orientamento di campo diretto e indiretto delle macchine sincrone e asincrone.
• Introduzione ai sistemi embedded basati su PLC, microcontrollori, DSP e FPGA e al software National Instruments LabVIEW.
• Simulazione, sintesi del controllo e verifica sperimentale di azionamenti elettrici; sistemi hardware-in-the-loop e tendenze evolutive del settore.
Testi Adottati
Oltre alle dispense e al materiale didattico forniti dal docente:• Ion Boldea, Syed A. Nasar, Electric Drives, Third Edition, CRC Press, 2016, ISBN 9781498748209.
• Bimal K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR, 2002.
• Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, Power Electronics Converters Applications and Design, Wiley, ISBN 0471226939.
• Ned Mohan, Advanced Electric Drives Analysis Control and Modeling Using MATLAB Simulink, Wiley, ISBN 9781118485484.
Modalità Frequenza
La frequenza delle lezioni, delle esercitazioni e delle attività di laboratorio è fortemente consigliata, considerata la natura applicativa del corso e la stretta integrazione tra contenuti teorici, simulazioni e verifiche sperimentali.Modalità Valutazione
La valutazione finale consiste in un colloquio orale sugli argomenti teorici, metodologici e applicativi trattati nel corso. La prova accerta la comprensione dei convertitori e delle macchine elettriche, la capacità di interpretare i modelli dinamici e la padronanza delle principali strategie di controllo degli azionamenti elettrici per applicazioni marine. La valutazione tiene conto della correttezza e completezza delle risposte, della proprietà del linguaggio tecnico, della capacità di collegare i diversi sottosistemi dell'azionamento e dell'autonomia nell'affrontare problemi di analisi e controllo.