ELETTRONICA PER L' EFFICIENZA ENERGETICA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2021/2022
- Docente
- GIORGIO VANNINI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Il corso fornisce le conoscenze fondamentali per la progettazione dei convertitori elettronici di potenza che trovano applicazione nei circuiti di alimentazione elettrica. Il contesto comune è quello dell’efficienza energetica in diversi scenari applicativi (dall'alimentazione di sistemi elettronici, agli azionamenti, gruppi di continuità e sistemi fotovoltaici). Vengono esaminate le caratteristiche dei sistemi di conversione efficiente dell’energia con particolare riferimento ai circuiti elettronici in commutazione e alle relative modalità di controllo, nonché ai dispositivi elettronici di potenza.
Le principali conoscenze acquisite nell'ambito della conversione statica dell’energia elettrica saranno:
- tecnologia, funzionamento e utilizzo di dispositivi e circuiti elettronici di potenza;
- problematiche relative alla qualità dell’energia, efficienza energetica ed “energy harvesting”;
- analisi e progetto di convertitori elettronici di potenza, con particolare attenzione alle unità di alimentazione, ai circuiti elettronici in commutazione, al loro dimensionamento termico e al relativo controllo.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- progettazione di convertitori elettronici di potenza;
- dimensionamento dei relativi filtri;
- dimensionamento del controllo;
- dimensionamento termico dei transistori/dissipatori. Prerequisiti
- E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze:
Diodi, BJT, FET (principi di funzionamento, commutazione). Teoria dei circuiti e dei segnali. Circuiti analogici e digitali di base. Modulazione. Controllo in retroazione (stabilità e reti correttrici). Contenuti del corso
- Il corso prevede 60 ore di didattica tra lezioni (con esempi di progetto svolti in aula) e laboratorio che si svilupperà tramite esercitazioni guidate svolte nei laboratori di informatica e di elettronica.
Generalità sulla conversione di energia: applicazioni, classificazione e prestazioni dei convertitori di potenza. Interfaccia con la sorgente di energia (normativa, qualità e continuità dell’energia); energy harvesting.
Convertitori in commutazione: generalità sulle conversioni DC/DC, DC/AC, AC/DC ed AC/AC. DC/DC in commutazione: DC/DC discesa. DC/DC salita. DC/DC discesa/salita. DC/DC con isolamento elettrico (fly-back). DC/DC a quattro quadranti. Progetto dei filtri, snubber e dimensionamento dei componenti. Controllo in tensione e in corrente: analisi di un controllore integrato. Controllo con isteresi. Elementi di controllo digitale: vantaggi, problematiche e implementazione.
Componenti magnetici, dispositivi di potenza e driver : richiami di elettromagnetismo ed elementi di base sui componenti magnetici. Criteri di dimensionamento di un induttore. Circuito equivalente del trasformatore (modello ideale, perfetto e reale). Elementi su diodi di potenza, BJT, MOS, IGBT. Ratings. Reti di commutazione a uno, due e quattro quadranti e problematiche di commutazione. Dimensionamento termico. Driver e isolamento.
Architetture di potenza: evoluzione delle architettura di potenza, DC/DC sincroni, regolatori DC/DC e LDO, e loro impiego.
Motori elettrici: elementi sui motori elettrici DC e AC asincroni e sincroni: principio di funzionamento, circuito equivalente, equazioni e/o caratteristiche fondamentali (coppia/velocità), funzionamento a uno o più quadranti.
DC/AC in commutazione: convertitori DC/AC. Controllo PWM e PWM sinusoidale. Applicazione in UPS, impianti fotovoltaici e azionamenti elettrici.
Convertitori AC/DC controllati e non: raddrizzatore a semplice e doppia semionda: prestazioni; dimensionamento. Progetto di filtri LC e C. Dimensionamento diodi. Fattore di potenza. Filtri di ingresso e PFC. Raddrizzatore trifase: dimensionamento filtro LC e diodi; fattore di potenza. AC/DC con SCR: SCR e GTO. AC/DC e AC/AC.
Progettazione in laboratorio: progettazione, realizzazione e test di un sistema di conversione switching. Metodi didattici
- Il corso è organizzato nel seguente modo:
- Lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso
- Esempi di progetto di circuiti e dimensionamento componenti in aula
- Laboratorio di progettazione: le attività si svolgono, sotto la guida di un tutor, nei laboratori di informatica e di elettronica. Gli studenti, in funzione del numero, potranno lavorare da soli o in gruppi di massimo tre unità. Agli studenti è richiesta una relazione sull'attività svolta in laboratorio. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame è orale e prevede, oltre alla presentazione della relazione sul progetto in laboratorio, domande sugli argomenti svolti a lezione con lo scopo di valutare la comprensione delle problematiche affrontate e la padronanza degli strumenti di analisi e sintesi introdotti.
Per chi frequenta il laboratorio e consegna la relazione finale non costituiscono materia d'esame orale le slide sui DC/DC con isolamento.
N.B. La cadenza degli esami è di norma settimanale. Le date vengono fissate solitamente con una o due settimane di anticipo. Per motivi organizzativi la lista d'esame si chiude due giorni prima della data dell'appello.
Il superamento dell’esame è prova dell’aver acquisito la capacità di applicare le conoscenze relative alla conversione statica dell'energia e al progetto di convertitori operanti in commutazione. Testi di riferimento
- Slide delle lezioni e altro materiale didattico fornito dal docente.
Non esiste un libro di testo che copra l'intero programma del corso. Agli studenti interessati ad approfondire i vari argomenti trattati si consigliano i seguenti testi, tutti reperibili presso la Biblioteca.
Elettronica Industriale: Convertitori DC/DC operanti in commutazione, F.Filicori e G.Vannini, Editrice Esculapio, Luglio 1999, Bologna (copre la parte più importante del corso).
Elettronica di Potenza: Convertitori ed applicazioni, Mohan, Undeland, Robbins, Hoepli, 2005.
Power Electronics: Converters, Applications and Design, Mohan, Undeland, Robbins, J.Wiley, 1995.
Fundamentals of power electronics, R.Erickson, Kluwer, 1997 (ebook 2001).
Power Electronics: Circuits, devices and applications, M.Rashid, Prentice Hall, 1993. (2014 ebook - 2007 versione italiana - 2017 Handbook ebook).
