Insegnamento APPLICAZIONI ELETTRICHE
| Nome del corso | Ingegneria meccanica |
|---|---|
| Codice insegnamento | A002392 |
| Curriculum | Energia |
| Docente responsabile | Riccardo Scorretti |
| Docenti |
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| Ore |
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| CFU | 8 |
| Regolamento | Coorte 2024 |
| Erogato | Erogato nel 2025/26 |
| Erogato altro regolamento | |
| Attività | Affine/integrativa |
| Ambito | Attività formative affini o integrative |
| Settore | ING-IND/31 |
| Tipo insegnamento | Opzionale (Optional) |
| Tipo attività | Attività formativa monodisciplinare |
| Lingua insegnamento | ITALIANO |
| Contenuti | L’insegnamento fornisce le competenze di base necessarie per progettare dei sistemi di azionamento elettrico. I principali contenuti riguardano: richiami di elettrotecnica, basi di controlli automatici ed elettronica di potenza. Motori elettrici in c.c., a induzione, brushless (BLDC e PMSM) e stepper, ed il loro controllo. |
| Testi di riferimento | Testi raccomandati 1. Slobodan N. Vukosavic, Electrical Machines, Springer DOI 10.1007/978-1-4614-0400-2 2. Ned Mohan, Electric Drives – an integrative approach, MNPERE, ISBN 0-9715292-1-3 Materiale didattico comprendente diapositive delle lezioni, testi e soluzione degli esercizi proposti, tabelle, video ed altro sarà disponibile attraverso la piattaforma Unistudium. |
| Obiettivi formativi | L’insegnamento concorre a formare lo studente sulla modellistica ed il progetto di azionamenti elettrici. Introduce agli aspetti metodologici, di modellazione, di progettazione e di collegamento fra le varie conoscenze. L'obiettivo principale dell’insegnamento consiste nel fornire agli studenti le basi per la scelta del tipo di motore e di controllo più adatto, in funzione dell’applicazione. I principali risultati dell’apprendimento saranno: • Comprensione dei principi fisici alla base del funzionamento motori elettrici; • Richiami di controlli automatici; • Richiamo di elettronica di potenza; • Nozioni sulla qualità dell’energia elettrica, in particolare per quanto riguarda l’utilizzo di inverter per azionamenti; • Modellistica e controllo di motori elettrici di varia natura: motori in c.c. a spazzole, e in corrente alternata ad induzione e brushless, motori stepper. |
| Prerequisiti | Al fine di comprendere e saper applicare la maggior parte delle tecniche descritte nell'insegnamento sono necessarie solide conoscenze preliminari di elettromagnetismo et elettrotecnica. Sarebbe utile avere conoscenze in controlli automatici ed elettronica. |
| Metodi didattici | Il corso è organizzato in: • lezioni frontali in aula durante le quali vengono affrontati gli argomenti trattati nel corso; • esercitazioni teoriche e pratiche, da svolgere possibilmente in laboratorio utilizzando i software Matlab/Simulink e LTspice. La totalità del materiale didattico utilizzato durante il corso – e.g. diapositive delle lezioni, esercizi svolti e proposti, tabelle, video ed altri contenuti – sarà disponibile attraverso la piattaforma Unistudium. |
| Altre informazioni | Ulteriori informazioni sono disponibili attraverso la pagina Unistudium dell’insegnamento. Il docente è disponibile per consultazioni al termine di ogni lezione; consultazioni con il docente in persona o attraverso la piattaforma Microsoft Teams possono inoltre essere concordate in altri orari. |
| Modalità di verifica dell'apprendimento | L'esame si compone di due parti: • una prova scritta (3h) • una prova orale, unicamente per gli studenti che superino la prova scritta • sarà cura degli studenti di seguire ed ottenere l’attestato nominativo di riuscita di 3 tutorial Onramp (Simulink, Design of automatic control, Simscape power electronics) |
| Programma esteso | Introduzione. • Azionamenti elettrici: uno sguardo d'insieme. Evoluzione della tecnologia e abbandono dei motori in c.c. a spazzole. Richiami di elettrotecnica: reti trifase, nozione di potenza attiva, reattiva, apparente, distorcente. Perché carichi RL producono delle sovratensioni. Motori in c.c. a spazzole • Struttura e principio di funzionamento. Modello dinamico e circuito equivalente. Defluxing. Richiami di controlli automatici • Nozioni di base di controlli automatici: trasformate di Laplace, risposta in frequenza e funzione di trasferimento, diagrammi di Bode. • Sistemi del primo e secondo ordine, e loro identificazione a partire dalla risposta al gradino. • Controllori PID, progetto di controllori nel dominio del tempo e della frequenza, sintesi diretta. Anti-wind up. • Stabilità di sistemi lineari: margine di fase e di guadagno. Elettronica di potenza • Cenni sui semiconduttori, e sui dispositivi a semiconduttore per l’elettronica di potenza: diodi, BJT, MOSFET, IGBT e tiristori, moduli composti di più dispositivi di potenza. • Convertitori DC-DC con topologie Buck, Boost e Buck-Boost e loro funzione di trasferimento (cenni). Controllori, regolatori integrati e moduli di potenza integrati. • Mezzo ponte, ponte intero, ponte trifase. Chopper. Frenatura rigenerativa, common DC-bus e protezione del bus DC. • Inverter: applicazioni e tipologia, nozione di THD e qualità dell’energia elettrica. • Modulazione di tipo onda quadra, PWM e SVPWM. Controllo di motori elettrici • Perché si utilizzano loop imbricati (controllo di coppia/corrente, velocità e posizione) • Progetto di controllo di motori in c.c. • Misura di posizione e di velocità tramite encoder. Motore a induzione • Struttura e principio di funzionamento. Modello a regime e circuito equivalente per fase. • Avviamento di motori a induzione: allaccio diretto, soft-starter o inverter. • Controllo scalare (V/f), perché il controllo V/f non permette di controllare i transitori. • Modello dinamico: trasformazione di Clarke-Park, equazioni del motore nel riferimento di Park. Calcolo della coppia. Cenni sulle differenti tipologie di controllo vettoriale FOC e DTC Motori brushless • Struttura e principio di funzionamento. Motori BLDC e PMSM. • Modello dinamico di motori brushless, equazioni del motore nel riferimento di Park. • Controllo FOC, 6 steps. Cenni sul controllo sensorless. • Circuiti integrati per il controllo di motori brushless. Motori stepper • Struttura e principio di funzionamento, tipologie di motori stepper (unipolari, bipolari e ibridi) • Controllo di motori stepper, microstepping. • Circuiti integrati per il controllo di motori stepper. Model-based design • Approcci model-in-the-loop (MIL), software-in-the-loop (SIL) e hardware-in-the-loop (HIL). • Nozioni di base sull’utilizzo di Simulink e SImscape • generazione automatica di codice per piattaforme di tipo embedded • Esercitazioni pratiche con Arduino. |
| Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile | • Obiettivo 4: Istruzione di qualità • Obiettivo 9: Industria, innovazione e infrastrutture |