Obiettivi formativi
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
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 applicati ai sistemi da fonti rinnovabili;
• 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.
MICROCONTROLLORI
1) Conoscenza e comprensione
Con questo corso s’intendono fornire agli studenti le conoscenze sui principi, modelli, tecniche e strumenti per la programmazione dei sistemi embedded a microcontrollore. Al termine di questo corso gli studenti avranno ottenuto un vero e proprio trasferimento di tecnologie con l’acquisizione di conoscenze e competenze di base utili ad avviare un lavoro personale per lo sviluppo di progetti di sistemi embedded a microcontrollore con la capacità di comprendere autonomamente hardware e instruction set di un generico microcontrollore, nonché di aver familiarità con gli ambienti di sviluppo integrato attualmente impiegati per la programmazione di questo tipo di circuiti integrati.
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Il corso ha l’obiettivo di mettere gli studenti in condizione di poter iniziare a progettare e sviluppare su misura applicazioni per il controllo di convertitori di potenza e/o per la realizzazione di nodi IoT smart. Tutto ciò, attraverso l'analisi di diversi casi di studio e tramite esercitazioni in laboratorio. Attraverso queste esercitazioni, lo studente acquisirà le capacità di applicare le tecniche apprese durante le lezioni teoriche nei contesti applicativi dove è richiesto l'utilizzo di sistemi embedded. Lo studente sarà anche in grado di comprendere come configurare un microcontrollore e le relative periferiche per l'applicazione specifica in cui esso dovrà essere impiegato.
Prerequisiti
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
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).
MICROCONTROLLORI
Si ipotizza nello studente la familiarità̀ con le discipline informatiche per la programmazione e le nozioni di base dell’elettronica digitale e analogica acquisite nei corsi di laurea della classe dell’Ingegneria dell’informazione (classe L-8).
Contenuti dell'insegnamento
Questa attività didattica integrata è composta da due moduli: Microntrollori ed Elettronica per la Conversione dell'Energia e le Fonti Rinnovabili.
I contenuti sono i seguenti.
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
- 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) Convertitori DC/DC di tipo switching (Cuk, SEPIC, a ponte intero)
4) Convertitori AC/DC (ponte diodi 3-phase)
5) Convertitori DC/AC (inverter 3-phase)
- Parte terza: macchine elettriche
6) Macchine rotanti a induzione
7) Macchine rotanti sincrone
- Parte quarta: sistemi di distribuzione e di produzione dell’energia elettrica da fonti rinnovabili
8) Sistemi fotovoltaici ed eolici
9) Distribuzione dell’energia elettrica e smart grid
10) Smart plug
11) Modelli per la simulazione di convertitori di potenza.
MICROCONTROLLORI
Parte prima:
1) Introduzione al corso
2) Cenni storici
Parte seconda:
3) Cenni all’elettronica embedded e definizione di microcontrollore
4) Classificazione delle architetture dei microcontrollori
5) Analisi di un microcontrollore commerciale
6) Periferiche (sensori, attuatori e display)
Parte terza:
7) Sviluppo di progetti per il controllo di convertitori di potenza e per la realizzazione di nodi IoT.
Programma esteso
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
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) Convertitori AC/DC (1 ora):
Raddrizzatore a ponte trifase.
4) Convertitori DC/DC switching (10 ore):
Funzionamento di un convertitore boost in discontinuous mode; convertitore Cuk; dal convertitore buck al SEPIC; Convertitore DC/DC a ponte; modulazione PWM.
Modelli Simulink dei convertitori presentati.
5) Controllo dei convertitori (8 ore):
Analisi in frequenza; Risposta al gradino in anello aperto; Risposta al gradino in anello chiuso; Risposta alle variazioni di carico del modello switching. Questa parte sarà svolta implementando modelli logico-funzionali con MATLAB/Simulink.
6) Convertitori Risonanti (7 ore):
Convertitori LLC; Trasformatori (dettagli costruttivi, circuito equivalente); convertitori risonanti; Dual Active Bridge converter; ZVS e ZCS. Questa parte sarà svolta con approfondimenti per la progettazione con MATLAB/Simulink.
7) Convertitori DC/AC (3 ore):
Inverter trifase: funzionamento a 180° e a 120°. Modulazione degli inverter a ponte: PWM a impulso singolo, a impulsi multipli, sinusoidale; modulazione "space vector".
8) Macchine elettriche rotanti (2 ore):
dettagli costruttivi, caratteristiche elettriche e meccaniche delle macchine asincrone e sincrone.
9) 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).
10) Sistemi fotovoltaici ed eolici (10 ore):
Teoria di base, componenti principali, tecnologie, tecniche e schemi circuitali di base dei sistemi fotovoltaici ed eolici.
MICROCONTROLLORI
1) Introduzione al corso (1 ora):
Descrizione approfondita del syllabus.
2) Cenni storici con riferimento ai microcontrollori ARM (1 ora).
3) Cenni all’elettronica embedded e definizione di microcontrollore (2 ore): Differenze tra CPU e MCU. Famiglie di MCU. Panoramica sulle periferiche di una MCU. Panoramica sui microcontrollori.
4) Classificazione delle architetture dei microcontrollori (1 ora): von Neumann vs Harvard; pipeline e stato dell’arte delle architetture.
5) Analisi dell’architettura di un microcontrollore commerciale (2 ore): Cortex M7
6) La periferica di I/O digitale (2 ore): Gestione e programmazione delle porte di I/O. Lettura di un ingresso. Scrittura di un'uscita.
7) I Timer (3 ore): Principio di funzionamento di un timer hardware. Base dei tempi e prescaler. Uso dell'auto-reload. Eventi e Interrupt. Uso dei timer per la generazione di segnali PWM (pulse width modulation). Esempi di utilizzo con Timer e I/O digitale.
8) Pattern di programmazione (2 ore): Macchina a stati finiti. Concetto di stato ed evento. Polling bloccante e non bloccante di eventi. Interrupt. Esempi di problemi con macchine a stati finiti.
9) La periferica UART (2 ore): Principio di funzionamento di una UART. Programmazione della periferica UART. Interrupt e polling. Trasmissione di un carattere. Ricezione di un carattere.
10) Convertitori analogico-digitali (2 ore): Principio di funzionamento. Circuito sample-and-hold. Programmazione di un ADC converter. Sensori e conversione di unità fisiche. Esempi di problemi con ADC.
11) Periferiche di comunicazione (3 ore): I2C, SPI, CAN.
12) Protocolli per l’IoT (2 ore).
13) Periferiche (1 ora): sensori, attuatori e display.
14) Sviluppo di progetti per il controllo di convertitori di potenza e per la realizzazione di nodi IoT (24 ore):
- esercitazioni per la programmazione con l’impiego dell’ambiente di sviluppo della STMicroelectronics: piattaforma STM32Cube;
- realizzazione di circuiti con schede di prototipazione, sensori e attuatori.
Bibliografia
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
• 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.
• Appunti e note del docente pubblicate sul portale Elly.
MICROCONTROLLORI
“Microcontrollers: Hardware and firmware for 8-bit and 32-bit devices” di Franco Zappa, Società Editrice Esculapio, ISBN: 9788893850223
Metodi didattici
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
Questo modulo didattico è da 6 crediti ed è svolto impiegando 48 ore in aula o laboratorio con lezioni frontali svolte dal docente con l’ausilio di slides (disponibili per il download agli studenti), del web e di personal computer dotato del software MATLAB/Simulink. Le prove con modelli numerici di MATLAB/Simulink sono 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).
MICROCONTROLLORI
Questo modulo è da 6 crediti ed è svolto in 48 ore svolte alternando lezioni frontali in aula con esercitazioni di laboratorio. Tutte le lezioni di laboratorio sono svolte utilizzando schede di sviluppo STM32 della STMicroelectronics. Il corso ha una forte connotazione pratica e le lezioni sono caratterizzate da "live programming".
Le lezioni sono svolte dal docente con l’ausilio di slides (disponibili per il download agli studenti), del web e di personal computer dotato del software per la programmazione di specifici microcontrollori (della serie STM32, come indicato sopra). Per questo e per la necessità di impiegare hardware, le esercitazioni saranno svolte in un laboratorio specificamente attrezzato.
Durante le attività di laboratorio, a ciascun studente sarà assegnato un progetto da sviluppare con l’impiego di una scheda della serie STM32 Nucleo. Il circuito realizzato con questo progetto sarà oggetto di esame.
Oltre che durante le lezioni, il docente è disponibile per chiarimenti sulle lezioni su appuntamento (e-mail).
Modalità verifica apprendimento
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
L’esame di questo modulo 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.
MICROCONTROLLORI
L’esame è orale e consta di due parti:
- una presentazione di un progetto sviluppato (vedi “Metodi didattici”) per un totale massimo di 20 punti;
- risposta a un paio di domande (massimo 5 punti per ogni domanda) della parte di teoria trattata nelle lezioni frontali.
Il voto complessivo sarà dato dalla somma dei punteggi parziali ottenuti.
Durante l’esame lo studente dovrà dimostrare di:
• aver acquisito le nozioni di base dei microcontrollori;
• aver acquisito la capacità di applicare le tecniche apprese durante le lezioni teoriche nei contesti applicativi dove è richiesto l'utilizzo di sistemi embedded;
• aver compreso come configurare un microcontrollore e le relative periferiche per l'applicazione specifica in cui esso dovrà essere impiegato;
• aver acquisito conoscenze e competenze di base utili ad avviare un lavoro personale per lo sviluppo di progetti di sistemi embedded a microcontrollore.
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 degli insegnamenti disponibili sulla piattaforma Elly.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
ELETTRONICA PER LA CONVERSIONE DELL'ENERGIA E LE FONTI RINNOVABILI
- Energia pulita e accessibile
- Consumo e produzione responsabili
