ELETTRONICA PER L' EFFICIENZA ENERGETICA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2017/2018
- 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 ed 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 e “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 ed 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 e laboratorio. In particolare sono previste 45 ore di lezione (con esempi di progetto svolti in aula) e 15 ore di progettazione (attività guidata nel laboratorio di elettronica).
Generalità sulla conversione di energia (5 ore): 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 (22 ore): 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 (6 ore): 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 (2 ore): evoluzione delle architettura di potenza, DC/DC sincroni, regolatori DC/DC e LDO, e loro impiego.
Motori elettrici (2 ore): 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 (5 ore): convertitori DC/AC. Controllo PWM e PWM sinusoidale. Applicazione in UPS, impianti fotovoltaici e azionamenti elettrici.
Convertitori AC/DC controllati e non (3 ore): 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 (15 ore): 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, quasi interamente nel laboratorio di elettronica e 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 e il controllo dei DC/DC.
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).
