37064 - AZIONAMENTI ELETTRICI T

Anno Accademico 2022/2023

  • Docente: Michele Mengoni
  • Crediti formativi: 9
  • SSD: ING-IND/32
  • Lingua di insegnamento: Italiano
  • Moduli: Michele Mengoni (Modulo 1) Michele Mengoni (Modulo 2)
  • Modalità didattica: Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1) Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)
  • Campus: Bologna
  • Corso: Laurea in Ingegneria dell'automazione (cod. 9217)

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce - la struttura degli azionamenti elettrici e delle problematiche relative al loro impiego in applicazioni di automazione industriale - le caratteristiche di funzionamento e delle prestazioni degli azionamenti elettrici che impiegano motori in corrente continua, motori brushless dc e ac, motori asincroni, motori passo-passo ed attuatori di tipo diretto, alimentati da convertitori elettronici di potenza - i modelli dinamici delle macchine elettriche in corrente continua ed in corrente alternata. Inoltre, è in grado di comprendere il funzionamento degli schemi di controllo di coppia e di velocità per azionamenti elettrici, nonché i principi per il dimensionamento e scelta degli azionamenti elettrici.

Contenuti

Il corso è rivolto agli studenti dei Corsi di Laurea in Ingegneria dell'Automazione e mira a fornire gli strumenti essenziali per capire la struttura e il funzionamento delle principali macchine elettriche e definire i principi della conversione elettromeccanica dell'energia e degli azionamenti elettrici.

La prima parte del corso è dedicata allo studio del principio di funzionamento dei convertitori elettronici più diffusi in ambito industriale. La seconda parte del programma sono prese in esame la struttura e le caratteristiche delle principali macchine elettriche. Alfine di integrare le lezioni frontali saranno presi in esame cataloghi reali e casi applicativi. L'ultima parte del corso è dedicata all'analisi dei controlli vettoriali delle macchine elettriche.

 

Introduzione

Generalità sulle macchine e sugli azionamenti elettrici. Richiami di elettrotecnica. Materiali magnetici e materiali conduttori. Circuiti magnetici. Principi della conversione elettromeccanica dell’energia. Smaltimento del calore nelle macchine elettriche.

 

Conversione statica dell'energia elettrica

Introduzione alle fisica dei materiali semiconduttori

Dispositivi elettronici di potenza per la conversione statica: DIODI, MOSFET, IGBT.

 

  • I convertitori AC/DC:

- Il raddrizzatore monofase non controllato con carico ohmico-induttivo.

- Il raddrizzatore monofase non controllato con carico ohmico-capacitivo.

- Il raddrizzatore trifase non controllato con carico ohmico-induttivo.

- Il raddrizzatore trifase non controllato con carico ohmico-capacitivo.

  • I convertitori DC/DC:

- Il chopper a 1 quadrante.

- Il chopper a 2 quadranti (Half Bridge).

- Il chopper a 4 quadranti (Full bridge).

- La tecnica di modulazione di tipo PWM per convertitori DC/DC.

- La regolazione della tensione e nei convertitori DC/DC.

  • I convertitori DC/AC:

- Il ramo di Inverter

- L’inverter monofase.

- L’inverter trifase.

 

Conversione elettromeccanica dell'energia e azionamenti elettrici

Introduzione ai principi di conversione elettromeccanica dell'energia, circuiti magnetici e problematiche termiche delle macchine elettriche.

 

  • Macchina in corrente continua

- Geometria di macchina e il principio di funzionamento.

- Espressione della coppia, circuito elettrico equivalente e la caratteristica meccanica.

- Funzionamento da motore e da generatore. Principio di controllo della coppia e della velocità.

- Indebolimento di campo e zone di funzionamento a coppia e potenza costante.

- Azionamenti per macchine in corrente continua

 

  • Macchina sincrona trifase e il motore brushless a fem sinusoidale.

- Geometria di macchina e il principio di funzionamento.

- Il campo magnetico rotante.

- Espressione della coppia, circuito elettrico equivalente e la caratteristica meccanica.

- Funzionamento da motore e da generatore.

- Modello dinamico delle macchine sincrone basato sulla teoria degli assi in quadratura.

- Controllo ad orientamento di campo. Analisi delle prestazioni limite in coppia e velocità

 

  • Brushless a fem trapezia.

- Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento.

- Sequenza di alimentazione delle fasi in funzione della posizione del rotore.

- Funzionamento six-step con alimentazione di due fasi alla volta.

- Transitori di commutazione ed oscillazioni di coppia.

- Schema a blocchi dell'azionamento

 

  • Macchina asincrona trifase.

- Geometria di macchina e il principio di funzionamento.

- Espressione della coppia, circuito elettrico equivalente e la caratteristica meccanica.

- Funzionamento da motore e da generatore.

Problemi all'avviamento.

- Controllo V/f.

- Campo di funzionamento a coppia costante ed a potenza costante.

- Modello dinamico delle macchine asincrone basato sulla teoria degli assi in quadratura.

- Controllo ad orientamento di campo dei motori asincroni.

- Metodologie per il controllo di coppia di tipo diretto ed indiretto.

- Stima del flusso rotorico.

- Prestazioni limite in coppia e velocità degli azionamenti con motori asincroni

 

  • Azionamenti con motori passo-passo

- Geometria di macchina e il principio di funzionamento.

- Modello dinamico semplificato.

- Circuiti di alimentazione e tecniche di controllo.

- Analisi dei problemi di instabilità a bassa e ad alta velocità.

- Analisi delle prestazioni limite in coppia al variare della frequenza di alimentazione.

Testi/Bibliografia

Il corso presenta e compendia diversi argomenti e pertanto saranno distribuite allo studente dispense redatte direttamente dal docente e rese disponibili attraverso la piattaforma Insegnamenti On Line.

Vengono inoltre segnalati i seguenti testi di riferimento:

  • A.E. Fitzgerald, C. Kingsley JR, A. Kusko: “Macchine Elettriche”, Franco Angeli Editore, Milano, 1978.
  • J.M.D. Murphy, F.G. Turnbull: “Power Electronic Control of AC Motors”, Pergamon Press, Oxford, 1988.
  • I, Boldea, S.A. Nasar: “Electric Drives”, CRC Press, New York.
  • P. Vas: “Vector Control of AC Machines”, Oxford University Press, New York.
  • T.J.E. Miller: “Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor Drives”, Clarendon Press, Oxford, 1989.
  • T.J.E. Miller: “Switched Reluctance Motors and their Control”, Clarendon Press, Oxford, 1993.
  • T. Kenjo: “Stepping Motors and their Microprocessor Controls”, Clarendon Press, Oxford, 1985.
  • W. Leonard: “Control of Electrical Drives”, Springer-Verlag, Berlin, 2001

Metodi didattici

Le lezioni frontali in aula sono integrate con esercitazioni al calcolatore. Durante le esercitazioni, gli studenti potranno simulare il comportamento delle macchine elettriche e dei sistemi di controllo studiati durante il corso.

Le simulazioni saranno fornite dal docente agli studenti attraverso il portale

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene mediante una prova scritta, che ha lo scopo di esaminare l'acquisizione delle conoscenze previste dal programma. A complemento, è possibile sostenere una prova orale facoltativa. Il voto finale sarà dato dalla media dei voti della prova scritta e dell’eventuale prova orale.

La prova scritta può prevedere domande a risposta multipla, domande a risposta aperta ed esercizi numerici. Verrà valutata la capacità dello studente di:

  • utilizzare correttamente gli strumenti dell'elettrotecnica e della conversione elettromeccanica dell'energia;
  • descrivere il funzionamento delle macchine elettriche;
  • illustrare il principio di funzionamento degli azionamenti elettrici e valutarne le prestazioni;
  • rappresentare gli schemi di controllo.

La valutazione finale terrà conto della correttezza, della capacità espositiva, della proprietà di linguaggio nel presentare le risposte ai quesiti.

Strumenti a supporto della didattica

Le lezioni sono svolte con l'ausilio di PC e videoproiettore (Power Point). Sono disponibili i file PDF delle diapositive proiettate durante il corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Michele Mengoni

SDGs

Energia pulita e accessibile Città e comunità sostenibili Consumo e produzione responsabili Lotta contro il cambiamento climatico

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.