Obiettivi formativi
1) Conoscenza e comprensione
Con la frequenza alle lezioni e lo studio individuale lo studente potrà:
• conoscere le modalità d’uso delle fonti rinnovabili per la generazione di energia elettrica;
• conoscere le topologie circuitali e il funzionamento di: i) circuiti di base per la conversione statica dell'energia, (ii) dei circuiti di protezione (snubber) nei convertitori, (iii) circuiti di pilotaggio (driver) degli interruttori controllati;
• saper progettare, dimensionandone i componenti della parte di potenza, un convertitore delle topologie di base;
• conoscere i principi di base e i dettagli costruttivi dei trasformatori;
• conoscere i principi di base di conversione elettro-meccanica dell'energia e i dettagli costruttivi delle macchine elettriche ad induzione;
• conoscere tecnologie, tecniche e circuiti di base dei sistemi fotovoltaici ed eolici;
• conoscere e saper utilizzare tool di MATLAB per la simulazione di convertitori elettronici e sistemi di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili con modelli matematici e/o logico-funzionali.
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Scopo del corso è fornire agli studenti la capacità di collegare le nozioni acquisite e da acquisire di elettrotecnica, elettronica, elettronica di potenza e dei sistemi di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, in modo da poterne descrivere le peculiarità.
Si attribuisce importanza anche alla capacità di risolvere problemi ed esercizi di dimensionamento dei componenti attivi e passivi dei convertitori di potenza, analizzandone il funzionamento e valutandone i principali parametri di prestazione.
Prerequisiti
Si ipotizza nello studente la familiarità̀ con le nozioni di: fisica generale (elettromagnetismo), circuiti elettrici (elettrotecnica), elettronica digitale ed elettronica analogica, acquisite nei corsi di laurea della classe dell'Ingegneria dell'informazione (classe L-8).
Contenuti dell'insegnamento
- Parte prima: Introduzione al corso
1) Consumo e generazione di energia ed elettricità
2) Generazione da fonti convenzionali e da fonti rinnovabili
- Parte seconda: principi di base dell’elettronica di potenza
3) Interruttori a stato solido
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
- Parte terza: macchine elettriche
9) Trasformatori monofase e trifase
10) Macchine rotanti a induzione
11) Macchine rotanti sincrone
- Parte quarta: sistemi di distribuzione e di produzione dell’energia elettrica da fonti rinnovabili
12) Sistemi fotovoltaici ed eolici
13) Distribuzione dell'energia elettrica e smart grid
14) Smart plug
15) Modelli per la simulazione di convertitori di potenza
Programma esteso
1) Introduzione (2 ore):
Consumo e generazione di energia ed elettricità:
Problemi di sostenibilità ambientale. Ciclo del carbonio. Fabbisogni energetici mondiali, europei, nazionali.
2) Generazione da fonti convenzionali e da fonti rinnovabili (1 ora):
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 (3 ore):
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) (4 ore):
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" (8 ore):
Cenni ai 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) (7 ore):
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 (3 ore):
Snubber per turn-off, overvoltage, e turn-on.
8) Driver per BJT e MOSFET (1 ora):
Cenni sui driver per BJT e MOSFET. Isolamento dei driver.
9) Trasformatori (2 ore):
Dettagli costruttivi, equazioni, circuiti equivalenti, parametri caratteristici, prove standard.
10) Macchine elettriche rotanti (3 ore):
dettagli costruttivi, caratteristiche elettriche e meccaniche delle macchine asincrone e sincrone.
11) Distribuzione dell'energia elettrica (4 ore):
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).
12) Sistemi fotovoltaici ed eolici (10 ore):
Teoria di base, componenti principali, tecnologie, tecniche e schemi circuitali di base dei sistemi fotovoltaici ed eolici.
13) Modelli per la simulazione di convertitori di potenza (24 ore):
Presentazione e prova in laboratorio di modelli in ambiente Simulink di MATLAB per la simulazione di convertitori elettronici e sistemi per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Eventuali prove con hardware in the loop (componenti reali).
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 e note del docente pubblicate sul portale Elly.
Metodi didattici
Il corso è da 9 crediti ed è svolto impiegando 72 ore in aula o laboratorio:
• 48 ore di lezioni frontali svolte dal docente con l’ausilio di slides (disponibili per il download agli studenti) e del web, sia per la teoria sia per lo svolgimento di esercizi;
• 24 ore per lezioni con prove di laboratorio, svolte principalmente per l’apprendimento dell’uso di software di simulazione.
Oltre che durante le lezioni, il docente è disponibile per chiarimenti sulle lezioni su appuntamento (e-mail).
Modalità verifica apprendimento
L’esame è orale. Consta tipicamente di tre domande principali vertenti su tutti gli argomenti trattati durante il corso.
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 e delle macchine elettriche asincrone e sincrone.
• conoscere come si può modellare matematicamente e/o a livello logico-funzionale un convertitore elettronico di potenza o un sistema di produzione dell’energia elettrica.
In base alla preparazione dimostrata, ad ogni risposta alle domande principali sarà assegnato un punteggio massimo di 10. Il punteggio massimo si ottiene qualora la risposta argomentata sia esaustiva rispetto a quanto illustrato durante le lezioni. Quando la risposta non è esaustiva, il punteggio viene assegnato in base a quanto discusso correttamente comparandolo con l’argomento complessivo esposto durante le lezioni. Nel caso di prova ritenuta positiva (quando lo studente dimostra di conoscere correttamente almeno i concetti di base degli argomenti relativi ad ogni domanda posta), il voto finale sarà dato dalla somma dei tre punteggi parziali.
La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni argomento a cui si aggiunga qualche approfondimento rispetto agli argomenti esposti durante le lezioni e/o la padronanza del lessico disciplinare.
Altre informazioni
Sito web dell'insegnamento disponibile sulla piattaforma Elly.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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