Temi di ricerca (in ordine cronologico)
- celle a combustibile ad idrogeno–ossigeno
- controllo in frequenza di motori ad induzione
- teoria del campo elettromagnetico
- metodi analitici e numerici di analisi e sintesi di
apparecchiature elettromagnetiche ed elettromeccaniche
- modellistica ed analisi di circuiti a topologia variabile
- modellistica ad alta frequenza di componenti avvolti
- caratterizzazione elettrica di sorgenti alternative di energia
elettrica (celle a combustibile, moduli fotovoltaici e celle solari
a film sottile)
- compatibilità elettromagnetica (EMC): schermatura
elettromagnetica, disturbi condotti in motori in corrente alternata
alimentati da inverter, ambienti di misura compatti per prove EMC,
emissioni irradiate da cavi e circuiti stampati, analisi dei
meccanismi sorgenti di interferenze elettromagnetiche (EMI),
disturbi condotti ed irradiati da convertitori statici,
modellistica delle proprietà elettriche di materiali dispersivi per
la predizione dell'efficienza di schermatura, accoppiamenti
elettromagnetici all'interno di contenitori metallici, interferenze
elettromagnetiche dei sistemi di potenza del materiale rotabile e
dei sistemi di trazione ferroviaria
- trasmissione wireless di energia elettrica mediante
accoppiamento magnetico risonante (inductive power transfer:
IPT)
Temi di ricerca attuali
Compatibilità elettromagnetica
Modellistica delle proprietà elettriche di materiali
dispersivi per la predizione dell'efficienza di
schermatura
Questa attività di ricerca riguarda la modellistica delle
proprietà elettriche dei materiali dispersivi al fine di predirne
l'efficienza di schermatura alle onde elettromagnetiche. L'attività
è essenzialmente orientata alla messa a punto di metodi per
l'estrazione della permettività complessa di materiali dispersivi
in funzione della frequenza. La permettività complessa è ottenuta
indirettamente dalla conoscenza di una grandezza misurabile, di cui
sia nota l'espressione analitica in funzione della permettività
complessa medesima. Metodi deterministici o stocastici possono
essere utilizzati per risolvere questo problema inverso. A tale
scopo sono sviluppati algoritmi sia basati sul metodo dei minimi
quadrati del tipo di Marquardt-Levenberg sia stocastici del tipo di
ottimizzazione a sciame. Il problema inverso può essere risolto con
diverse procedure, estraendo direttamente la permettività complessa
per ogni frequenza dell'intervallo di interesse (cioè punto per
punto), oppure nell'intero intervallo introducendo la variazione
della permettività complessa in funzione della frequenza attraverso
un modello di rilassamento dielettrico (Debye, Deby serie,
Cole-Cole, Havriliak- Negami) di cui vengono determinati i
parametri. La validità della procedura è pertanto generale, poiché
può essere applicata a differenti tecniche di misura e a diversi
materiali.
Accoppiamenti elettromagnetici all'interno di contenitori
metallici
La ricerca è rivolta alla messa a punto di un metodo per la
previsione degli accoppiamenti elettromagnetici all'interno di
contenitori metallici. Il metodo si basa su una analogia tra una
guida d'onda rettangolare monomodale e una linea di trasmissione,
vale a dire fra la potenza trasportata da un modo di propagazione
nella guida d'onda e quella trasportata dalla linea di trasmissione
equivalente. Le strutture irradianti fondamentali (sorgenti e
vittime) considerate all'interno del contenitore sono conduttori
rettilinei e spire, modellabili rispettivamente mediante
monopoli/dipoli elettrici e dipoli magnetici. L'accoppiamento
elettromagnetico può essere rappresentato in termini di circuiti
equivalenti per le strutture radianti e di linee di trasmissione
per i percorsi di propagazione della guida d'onda multimodale.
L'accoppiamento tra un dipolo elementare nel contenitore metallico,
modellato come una guida d'onda cortocircuitata agli estremi, e
ciascun modo di propagazione della guida d'onda avviene attraverso
capacità mutue e/o induttanze mutue e può essere rappresentato
mediante generatori pilotati. La sezione della linea di
trasmissione tra la sorgente e la vittima è modellata per ciascun
modo di propagazione con un doppio bipolo. Il circuito equivalente
così ottenuto può essere risolto mediante l'analisi nodale.
Il metodo può essere esteso per studiare l'accoppiamento
elettromagnetico tra monopoli elettrici e piani conduttori
all'interno di un contenitore metallico. I piani conduttori sono
rappresentati con un'impedenza equivalente in base ad una analogia
con una linea di trasmissione. In questo caso il problema si
complica se l'analisi non è limitata al modo dominante ma si
considerano anche i modi di ordine superiore, poiché il piano
conduttore agisce come una sorgente di accoppiamento di modi.
I risultati ottenuti con questo metodo sono confrontati con
misure sperimentali e simulazioni numeriche che utilizzano il
metodo delle linee di trasmissione (TLM).
L'obiettivo finale di questa attività di ricerca è di sviluppare
un codice di calcolo che consenta la previsione degli accoppiamenti
elettromagnetici tra circuiti stampati e altre strutture
irradianti, quali ad esempio cavi di interconnessione all'interno
di contenitori metallici.
Interferenze elettromagnetiche dei sistemi di potenza del
materiale rotabile
La ricerca riguarda la modellazione dei fenomeni e dei percorsi
dominanti di accoppiamento dei disturbi elettromagnetici dei
sistemi di potenza del materiale rotabile. Il maggior contributo
alle emissioni irradiate a bordo del materiale rotabile proviene
dagli elementi interni che funzionano da antenne non intenzionali
(ad esempio, cavi di collegamento dei vari apparati elettrici ed
elettronici, dissipatori dei dispositivi elettronici di potenza), a
causa delle emissioni condotte presenti in questi elementi. Per le
vittime interne al materiale rotabile e per i conduttori
dell'infrastruttura relativa al materiale rotabile in esame, si
possono distinguere meccanismi di accoppiamento pilotati dalla
corrente e pilotati dalla tensione, rappresentati da circuiti
equivalenti contenenti generatori pilotati. In particolare, si
ricavano le correnti iniettate nei conduttori dell'infrastruttura,
che costituiscono le nuove sorgenti per la determinazione degli
accoppiamenti induttivi e capacitivi con le infrastrutture e le
linee di telecomunicazione e segnalamento vicine. Tali
accoppiamenti possono essere studiati mediante la teoria
delle linee di trasmissione multiconduttore.
Predizione dell'interferenza elettromagnetica di campo
vicino nei convertitori di potenza mediante il metodo della FEM
indotta
L'attività di ricerca riguarda un approccio per predire
l'interferenza elettromagnetica (EMI) generata da un convertitore
switching (switched-mode power supplies: SMPS) su circuiti vittima.
L'accoppiamento elettromagnetico fra le principali sorgenti
(correnti e tensioni) di interferenza elettromagnetica del SMPS e
la vittima è rappresentato da doppi bipoli caratterizzati in
termini delle loro mutue impedenze o ammettenze, che sono calcolate
mediante il metodo della FEM indotta, un metodo classico per il
calcolo delle auto e mutue induttanze di strutture radianti (o
elementi di strutture). Una volta acquisiti gli spettri delle
correnti e tensioni sorgenti dalle loro misure nel dominio del
tempo, la tensione di disturbo su sonde circolari di campo
magnetico usate nelle misure di campo vicino può essere predetta.
Si sono effettuate misure su alcuni convertitori flyback con layout
differenti per validare la procedura. Il metodo proposto può essere
applicato anche per prevedere l'accoppiamento intra-sistema, cioè
con sorgenti e vittime interne al SMPS. La conoscenza degli spettri
dei parametri del doppio bipolo (impedenze di circuito aperto e
ammettenze di corto circuito) permette di valutare rapidamente il
comportamento del disturbo EMI per diversi spettri di corrente e
tensione sorgenti, senza dover ripetere l'analisi del
sistema.
Caratterizzazione elettrica di sorgenti alternative di
energia elettrica: celle a combustibile, moduli fotovoltaici e
celle solari a film sottile
L'attività riguarda lo sviluppo e la messa a punto di un modello
circuitale non lineare di una cella a combustibile PEM (polymer
electrolyte membrane) da 1.2 kW disponibile nel Dipartimento di
Ingegneria Elettrica dell'Università di Bologna. Tale modello
consente di rappresentare il comportamento sia a regime che
dinamico della cella, a condizione di variare alcuni dei suoi
parametri nelle due condizioni di funzionamento, e può essere
impiegato nella simulazione di sistemi più complessi, tra i quali
sistemi di trazione elettrica, o di alimentazione di utenze in
isola o distribuita. Il modello non richiede la conoscenza di
parametri di difficile individuazione quali porosità, diffusività,
coefficienti di trasferimento di carica, necessari invece per
l'implementazione di modelli matematici complessi. I parametri del
circuito equivalente proposto sono invece ottenibili mediante
semplici prove di laboratorio e calcoli, poiché l'obiettivo della
caratterizzazione è di modellare la cella PEM dal lato del sistema
di condizionamento della potenza.
Un altro argomento in questo campo di ricerca riguarda una
procedura numerica per l'estrazione dei parametri del modello a
doppio diodo di moduli fotovoltaici. Un algoritmo di ottimizzazione
(particle swarm optimization) può essere usato per adattare la
caratteristica calcolata corrente-tensione di un modulo
fotovoltaico a quella sperimentale. Poiché nelle simulazioni
effettuabili non si trovano soluzioni ricorrenti, principalmente a
causa della natura stocastica dell'algoritmo di ottimizzazione, la
statistica insieme all'analisi cluster può essere impiegata per
interpretare i valori dei parametri di un modulo fotovoltaico.
L'obiettivo è di ottenere un insieme di parametri che sia
attendibile e rappresentativo del sistema fisico.
Ultimamente l'attività di ricerca è orientata anche alla
modellazione e caratterizzazione elettrica di celle solari a film
sottile del tipo CIGS. E' proposto un semplice modello analitico
per la densità di fotocorrente di una cella solare a film sottile
CIGS con energia di gap graduata linearmente, mostrando che la
densità di fotocorrente di tale cella è maggiore di quella di una
cella con energia di gap costante. E' presentato un circuito
equivalente a quattro diodi di una cella solare CIGS per tenere
conto di fenomeni come gli “stati trappola” e i “bordi dei grani”.
Un nuovo profilo di energia di gap che sfrutta l'ampliamento delle
bande sia di valenza che di conduzione è studiato mediante
simulazioni.
Trasmissione wireless di energia elettrica mediante
accoppiamento magnetico risonante (inductive power transfer:
IPT)
L'attività di ricerca, svolta in parziale collaborazione con il
mondo industriale, è rivolta alla caratterizzazione accurata di un
sistema di trasmissione wireless di energia elettrica composto da
due bobine risonanti accoppiate magneticamente in aria. I parametri
elettrici del circuito equivalente del sistema (resistenza, auto e
mutua induttanza) dipendono dalla geometria del sistema (raggio
delle bobine e loro distanza, raggio del conduttore, distanza tra
le spire) e dalla frequenza. Le formule utilizzate per il calcolo
dei parametri sono validate per confronto con simulazioni numeriche
eseguite con un codice del tipo FEM e con misure sperimentali. La
conoscenza accurata dei parametri è necessaria per calcolare con
precisione i guadagni di corrente e tensione e l'efficienza del
sistema di trasmissione dell'energia in funzione della frequenza al
variare della geometria e delle condizioni di carico.
Nell'ambito di questa ricerca si inserisce lo sviluppo di
procedure per il calcolo delle auto e mutua induttanze e della
capacità parassita di induttori planari a spirale (dritti o
con lati a zig-zag) che sono utilizzati come risonatori
intermedi o come metamateriale per migliorare l'efficienza di
trasmissione wireless con tecnica non radiativa.
Infine, è considerata un'analisi teorica-sperimentale del
trasferimento di potenza wireless mediante una disposizione
coplanare di risonatori. In particolare, sei identici risonatori
sono impiegati per trasferire potenza tra una bobina emettitore ed
una bobina ricevitore. Tutti i risonatori a spirale risuonano a
circa 20 MHz e le bobine emittore e ricevitore sono progettate con
formule reperibili in letteratura. Il sistema risonante è modellato
mediante mutue induttanze poiché il ritardo non è
significativo.
