MODELING AND CONTROL OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS

Anno accademico 2021/2022 - 1° anno
Docenti: Giuseppe SCARCELLA e Tommaso SCIMONE
Crediti: 9
SSD: ING-IND/32 - Convertitori, Macchine e Azionamenti elettrici
Organizzazione didattica: 225 ore d'impegno totale, 136 di studio individuale, 49 di lezione frontale, 15 di esercitazione, 25 di laboratorio
Semestre:
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Obiettivi formativi

Il corso ha gli obiettivi di fornire agli allievi i fondamentali della modellazione, dei principi di funzionamento e del controllo dei sistemi di conversione elettrica ed elettromeccanica dell'energia, le principali conoscenze di base e gli sviluppi futuri. Ampio spazio sarà dedicato all'attività in laborario.

Le nozioni acquisite nel corso consentiranno la conoscenza del funzionamento dei più comuni attuatori elettromeccanici e delle loro modalità di controllo.

Conoscenza e comprensione

Lo studente acquisirà la conoscenza dei principi di funzionamento e dei principali metodi di controllo delle macchine elettriche. Le applicazioni principali saranno relative ai campi dell’automazione, dell'ingegneria elettrica ed elettronica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Alla fine del corso gli studenti avranno le competenze necessarie ad analizzare un sistema elettromeccanico, identificandone le sezioni e le funzionalità principali. Gli studenti avranno le competenze necessarie alla caratterizzazione dei sistemi e dei processi elettromeccanici e alla progettazione, con particolare riferimento alla modellistica e al controllo.

Autonomia di giudizio

Gli studenti acquisiranno autonomia di giudizio per una accurata analisi dei sistemi elettromeccanici. Tali capacità saranno affinate anche attraverso attività sperimentali svolte in laboratorio.

Abilità comunicative

Lo studente rafforzerà il linguaggio tecnico dell’ingegneria dell’energia elettrica con l'obiettivo di potersi adeguatamente presentare nel mondo del lavoro con adeguate competenze ed un adeguato profilo tecnico. La capacità di lavorare in gruppo sarà affinata attraverso le esperienze sperimentali in laboratorio svolte in piccoli gruppi. La stesura della relazione di laboratorio e/o l’esame orale consentiranno di affinare il linguaggio tecnico e le capacità comunicative.

Capacità di apprendimento

Lo studente sarà in grado di ampliare autonomamente le proprie conoscenze sulla conversione elettromeccanica, attraverso l’approfondimento dei testi di riferimento su articoli di riviste scientifiche specializzate. I risultati dell'apprendimento delle nozioni del corso sono la conoscenza del funzionamento dei più comuni attuatori elettromeccanici e delle loro modalità di controllo più avanzate.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

L'insegnamento è composto sia da lezioni frontali sia da esercitazioni sperimentali e laboratorio. Sia le esercitazioni sperimentali e sia il laboratorio servono per migliorare la capacità di applicazione delle conoscenze acquisite, attraverso strumenti informatici e/o sistemi sperimentali.

L'insegnamento di quest'anno potrebbe essere impartito in modalità mista o in remoto.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Conoscenza dei concetti base di fisica e elettronica.

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Knowledge of the basic concepts of physics and electronics.


Frequenza lezioni

La frequenza delle lezioni, in presenza o a distanza, non è obbligatoria ma è consigliata. Per ottenere un risultato ottimale, lo studente è tenuto a frequentare almeno il 70% delle lezioni del corso.

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Student attendance, at University or in a remote way, is not mandatory but it is recommended. Remember that to achieve an optimum result, the student is required to attend at least 70% of the course lessons.


Contenuti del corso

L'obiettivo del corso è modellare e controllare i sistemi elettromeccanici (principalmente macchine elettriche rotanti: convenzionali e speciali) utilizzati nella conversione dell'energia elettrica in meccanica e viceversa. Il corso fornirà elementi di base e avanzati di due campi dell'area dell'ingegneria elettrica insegnati nei corsi di Macchine Elettriche e Azionamenti Elettrici. L'accento è posto sulle macchine eletttiche rotanti, per mezzo delle quali avviene la maggior parte della conversione di energia. Tuttavia, le tecniche sviluppate sono generalmente applicabili a tutte le macchine elettriche, alla conversione di energia rinnovabile e a un'ampia gamma di dispositivi aggiuntivi, tra cui macchine lineari, attuatori e sensori.

Sebbene non sia un dispositivo elettromeccanico di conversione dell'energia, il trasformatore è un componente importante per comprendere il processo complessivo di conversione dell'energia che utilizza il campo magnetico. I modelli sviluppati per l'analisi dei trasformatori costituiscono la base per la successiva discussione sulle macchine elettriche rotanti. Infine, nel corso vengono introdotte la teoria generalizzata e la teoria dei vettori spaziali, per spiegare meglio il controllo vettoriale delle macchine a corrente alternata.

Programma

Prima parte: Sistemi elettromeccanici.

Bilancio energetico e sistemi conservativi: determinazione di forze e momenti elettromagnetici. Potenza: potenza attiva, reattiva e apparente. Sistemi trifase. Generalità sulle macchine elettriche: materiali, perdite, rendimento, comportamento termico. Trasformatore: principio di funzionamento, circuito equivalente, prove a vuoto e cortocircuito; Trasformatori HF. Macchina asincrona: MMF di avvolgimenti distribuiti ed equazioni, coppie di poli, circuito equivalente, scorrimento, coppia elettromagnetica.

Seconda parte: Macchine rotanti.

Macchina asincrona: prove a vuoto e a rotore bloccato, avviamento, motori asincroni monofase. Elettronica di potenza: Raddrizzatori, Chopper. Convertitori per macchine elettriche DC e AC. Controllo di sistemi elettromeccanici: Azionamenti elettrici. Servomacchine in corrente continua: azione del commutatore, funzionamento a carico, motori in corrente continua, generatori con eccitazione in derivazione, motori ad eccitazione in serie. Tecniche di modulazione digitale: PWM, Space Vector. VSI e CSI. Azionamenti per motori CC e CA: Controllo scalare. Controllo in corrente. Controllo V su f costante. Controllo vettoriale di macchine asincrone: IFOC, DFOC: VI, I-omega, I-theta. Macchina sincrona: circuito equivalente, angolo di carico, coppia sincrona e di riluttanza.

Terza parte: Macchine speciali, SMART-GRIDs, MICRO-GRIDs.

Macchine sincrone speciali: motori a magneti permanenti (PM), motori sincroni a riluttanza (SyncRel), motori passo-passo, motori a riluttanza commutata, motori brushless DC. Controllo vettoriale di macchine sincrone e PM. Motori universali. Motori passo passo. Controllo dei motori a riluttanza commutata. Generazione di energia distribuita e rinnovabile. Azionamenti per trazione elettrica, veicoli elettrici e ibridi.


Testi di riferimento

  • A.E. Fitzgerarld: “Electric Machinery”, Mc Graw Hill.

  • P. Krause: “Analisys of Elelectrical Machines”, IEEE Press.

  • N. Mohan: "Power Electronics", Hoeply.

  • B. Bose: “Power Electronics and Variable Frequency Drives”, IEEE Press.

  • T. Wildi: “Electrical Machines, Drives and Power Systems”, Pearson Prentice Hall.



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Modeling. Fundamentals of electrotechnical basic principles.B. Bose “Power Electronics and Variable Frequency Drives”, IEEE Press. 
2Electrical machines.A.E. Fitzgerarld: “Electric Machinery”, Mc Graw Hill. 
3Electrical drives.T. Wildi: “Electrical Machines, Drives and Power Systems”, Pearson Prentice Hall. 

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

Colloquio orale.

La verifica dell'apprendimento può essere effettuata anche elettronicamente, se le condizioni lo richiedono.

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Exams: oral tests.

Learning assessment may also be carried out on line, should the conditions require it.


Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Principi caratteristici e di funzionamento delle macchine elettriche più comuni: DC, Induzione, Sincrono, Stepper, Switched Reluctance.

Teoria generalizzata.

Controllo scalare e vettoriale.

 

L'insegnante è disponibile anche on line per il ricevimento.

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Characteristic and working principles of most common electrical machines: DC, Induction, Synchronous, Stepper, Switched Reluctance.

Generalized Theory.

Scalar and Vector Control.

 

The teacher is also available for on line reception meetings.