GENERAZIONE E CONVERSIONE DA FONTI RINNOVABILI
cod. 1006144

Anno accademico 2015/16
3° anno di corso - Secondo semestre
Docente
Settore scientifico disciplinare
Elettronica (ING-INF/01)
Ambito
Ingegneria elettronica
Tipologia attività formativa
Caratterizzante
63 ore
di attività frontali
9 crediti
sede: PARMA
insegnamento
in - - -

Obiettivi formativi

1) Conoscenza e comprensione
La frequenza alle lezioni e lo studio individuale permetteranno allo studente di acquisire la conoscenza e la comprensione dei seguenti argomenti:
• potenzialità e problemi dell'utilizzo delle fonti rinnovabili per la generazione di energia elettrica
• principali problemi legati al soddisfacimento della domanda di energia elettrica
• topologia circuitale dei più importanti circuiti per la conversione statica dell'energia
• funzionamento dei più importanti circuiti per la conversione statica dell'energia
• necessità dei circuiti di protezione (snubber), loro struttura, funzionamento e dimensionamento
• esempi di circuiti di pilotaggio (driver)
• funzionamento e dimensionamento dei trasformatori
• conversione elettro-meccanica dell'energia
• funzionamento delle macchine elettriche ad induzione in alternata
• tecnologie tecniche e circuiti dei sistemi fotovoltaici ed eolici
• software di simulazione con modelli matematici e/o logico-funzionali

2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
La frequenza alle lezioni e lo studio individuale permetteranno allo studente di acquisire le seguenti competenze:
• capacità di descrivere le peculiarità dei sistemi da fonti energetiche rinnovabili
• capacità di analizzare dati statistici di bilancio energetico
• capacità di analizzare il funzionamento dei circuiti per la conversione statica dell'energia
• capacità di analizzare le forme d'onda di tensione e corrente e di valutare i principali parametri di prestazione dei convertitori di potenza
• capacità di effettuare semplici esercizi di dimensionamento dei componenti attivi e passivi dei convertitori di potenza.
• risolvere semplici problemi di analisi e dimensionamento di trasformatori
• risolvere semplici problemi di analisi di machine elettriche in alternata
• applicare ai sistemi di potenza basati su energie rinnovabili le conoscenze su componenti e circuiti per la conversione dell'energia acquisite durante il corso
• uso base di software per lo sviluppo di modelli matematici e/o logico-funzionali

Prerequisiti

Conoscenze di base di fisica (Fisica Generale 1 e Fisica Generale 2), dei circuiti elettrici (Principi e applicazioni dell’ingegneria elettrica), dei dispositivi e dell’elettronica digitale (Elettronica 1) e dell’elettronica analogica (Elettronica 2).

Contenuti dell'insegnamento

1) Introduzione: consumo e generazione di energia ed elettricità
2) Generazione da fonti convenzionali e da fonti rinnovabili
3) Introduzione all'elettronica di Potenza
4) Convertitori AC/DC (raddrizzatori)
5) Convertitori DC/DC dissipativi e di tipo "switching"
6) Convertitori DC/AC (inverter)
7) Snubber per interruttori di Potenza
8) Driver per BJT e MOSFET
9) Trasformatore monofase
10) Trasformatore trifase
11) Macchine a induzione (asincrone)
12) Macchine sincrone
13) Distribuzione dell'energia elettrica
14) Sistemi fotovoltaici ed eolici
15) Modelli per la simulazione di convertitori di potenza

Programma esteso

1) Introduzione: consumo e generazione di energia ed elettricità:
Problemi di sostenibilità ambientale. Ciclo del carbonio. Fabbisogni energetici mondiali, europei, nazionali. Norme di riferimento.
2) Generazione da fonti convenzionali e da fonti rinnovabili:
principi di base dei sistemi di conversione idroelettrica, eolica, solare e fotovoltaica, da maree ed onde, da biomassa, da biogas.
3) Introduzione all'elettronica di Potenza:
Applicazioni ed evoluzione storica. Cenni sui dispositivi di potenza a semiconduttore; classificazione dei convertitori. Parametri di merito: distorsione in ingresso e in uscita, rendimento, regolazione.
4) Convertitori AC/DC (raddrizzatori):
Raddrizzatore a singola semionda. Raddrizzatore a onda intera con secondario a presa centrale. Raddrizzatore a ponte. Filtri passa-basso. Raddrizzatore a ponte con carico RLE. Raddrizzatore a ponte trifase.
5) Convertitori DC/DC dissipativi e di tipo "switching":
regolatori di tensione a zener, BJT ed OPAMP. Convertitori DC/DC "switching": Buck, Boost, Buck-Boost, Cuk. Convertitore DC/DC a ponte; modulazione PWM.
6) Convertitori DC/AC (inverter):
Inverter a mezzo ponte. Inverter a ponte intero. Inverter trifase: funzionamento a 180° e a 120°. Modulazione degli inverter a ponte: PWM a impulso singolo, a impulsi multipli, sinusoidale; modulazione "space vector".
7) Snubber per interruttori di Potenza:
Snubber per turn-off, overvoltage, e turn-on.
8) Driver per BJT e MOSFET
Cenni sui driver per BJT e MOSFET. Isolamento dei driver.
9) Trasformatore monofase:
equazioni, circuiti equivalenti, dimensionamento, parametri caratteristici, prove standard.
10) Trasformatore trifase:
collegamento fra le fasi, rapporto di trasformazione, indice orario.
11) Macchine a induzione:
equazioni, caratteristiche elettriche e meccaniche, regolazione della velocità.
12) Macchine sincrone:
con eccitazione, a magneti permanenti, equazioni, funzionamento su rete, regolazione tensione-frequenza.
13) Distribuzione dell'energia elettrica:
Distribuzione con produzione centralizzata. Stato delle reti. Impatto delle fonti rinnovabili. Distribuzione con consumo e generazione di energia ed elettricità diffusa. Smart Grid. Immagazzinamento dell'energia. Cenni alle regole tecniche di connessione (norma CEI 0-21).
14) Sistemi fotovoltaici ed eolici:
Spettro solare. Tecnologie, tecniche e schemi circuitali di base dei sistemi fotovoltaici ed eolici.
15) Modelli per la simulazione di convertitori di potenza
presentazione in laboratorio di modelli di convertitori di potenza in ambiente Simulink di MATLAB.

Bibliografia

• L. Freris, D. Infield, "Renewable energy in power systems", Wiley, 2008, ISBN 978-0-470-01749-4
• M. Rashid, "Power electronics", 3rd ed., Prentice-Hall, ISBN 0-13-122815-3.
• M. Guarnieri e M. Stella, "Principi e applicazioni dell'elettrotecnica" Vol. II, di Ed. Progetto Padova.
• Appunti del docente.

Metodi didattici

Lezioni frontali svolte dal docente con l’ausilio di slides (disponibili per il download agli studenti). Esercizi svolti dal docente. Esercitazioni di laboratorio informatico per l’apprendimento dell’uso di software di simulazione.

Modalità verifica apprendimento

L’esame è orale.
Durante l'esame lo studente dovrà dimostrare di:
• conoscere le problematiche del consumo energetico, con particolare attenzione al settore elettrico. Fra le conoscenze che lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito, vi sono anche quelle relative alle tecnologie delle fonti energetiche rinnovabili (FER), i vantaggi e i problemi tecnico-economici derivanti dalla diffusione delle FER e le normative tecniche di riferimento. Inoltre, è richiesto che lo studente sappia illustrare le architetture dei convertitori per impianti fotovoltaici ed eolici assieme alle loro caratteristiche salienti.
• conoscere i circuiti presentati nelle lezioni e di saperne descrivere il funzionamento. Lo studente dovrà inoltre dimostrare di sapere quantificare le prestazioni dei circuiti calcolandone i parametri di merito a partire dalle forme d'onda di tensioni e correnti. Si richiede inoltre la capacità di affrontare semplici esercizi quantitativi di dimensionamento dei componenti attivi e passivi.
• conoscere la teoria di base dei trasformatori di linea e delle macchine elettriche asincrone e sincrone. Inoltre dovranno essere in grado di indicare come si può dimensionare un trasformatore per applicazioni a 50 Hz.
• conoscere come si può modellare matematicamente e/o a livello logico-funzionale un convertitore di potenza.

Altre informazioni

Materiale didattico del docente reperibile su https://didattica.unipr.it