40042 - AZIONAMENTI ELETTRICI PER APPLICAZIONI INDUSTRIALI ED EOLICHE M

Scheda insegnamento

  • Docente Luca Zarri

  • Moduli Luca Zarri (Modulo 1)
    Luca Zarri (Modulo 2)

  • Crediti formativi 9

  • SSD ING-IND/32

  • Modalità didattica Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1)
    Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)

  • Lingua di insegnamento Italiano

Anno Accademico 2018/2019

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di presentare le caratteristiche funzionali degli azionamenti elettrici nelle applicazioni industriali e nei sistemi eolici di generazione dell'energia elettrica. Saranno analizzate le metodologie di regolazione della velocità e della coppia elettromagnetica al fine di migliorare da un lato l'efficienza nelle conversioni dell'energia, e dall'altro di controllare i transitori e le interazioni con gli azionamenti meccanici. In particolare, il corso tratta i modelli dinamici delle macchine in corrente continua, delle macchine di tipo brushless, delle macchine asincrone con rotore a gabbia e con rotore avvolto. Saranno inoltre analizzate le varie tipologie dei sistemi di generazione eolica evidenziando i vantaggi derivanti dall'impiego di sistemi a velocità variabile. Il corso comprende una serie di esercitazioni in laboratorio per verificare le prestazioni degli azionamenti elettrici sia con simulazioni numeriche, sia con prove sperimentali.

Contenuti

Azionamenti con motori in c.c.

Caratteristiche dei motori in corrente continua. Regolazione della velocità con controllo sull'armatura e sull'eccitazione. Funzionamento a coppia costante ed a potenza costante. Azionamenti per assi e per mandrino. Caratteristiche degli azionamenti con raddrizzatori controllati. Caratteristiche degli azionamenti con chopper. Strutture di azionamenti per funzionamento su due e quattro quadranti. Modello dinamico delle macchine in corrente continua. Analisi dei transitori elettromeccanici con alimentazione in tensione. Controllo di coppia. Controllo di velocità. Analisi e dimensionamento dei regolatori di coppia e velocità.  Esempi di applicazioni industriali ed eoliche. Simulazione di azionamenti completi in ambiente SIMULINK di MATLAB.

Azionamenti con motori brushless a tecnica trapezia (DC brushless)

Motori brushless a tecnica 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.  Campi di applicazione.

Azionamenti con motori brushless a tecnica sinusoidale (AC brushless)

Caratteristiche delle macchine sincrone a rotore liscio ed a poli sporgenti. Varie topologie di motori sincroni a magneti permanenti. Equazioni ed espressione di coppia. Caratteristiche di funzionamento con alimentazione in tensione e frequenza.  Avviamento dei motori sincroni.  Alimentazione tramite convertitori statici di frequenza per il controllo della velocità. Azionamenti multi motore. Campi di applicazione. Possibilità di funzionamento in catena chiusa con controllo di corrente. Principio di funzionamento dei motori brushless a tecnica sinusoidale. Tecnica di alimentazione con regolatori di corrente PWM. Schemi a blocchi dell'azionamento e confronti con l'azionamento a tecnica trapezia.

Modello dinamico delle macchine sincrone basato sulla teorica degli assi in quadratura. Motori brushless a magneti superficiali. Controllo ad orientamento di campo. Analisi delle prestazioni limite in coppia e velocità. Motori brushless a magneti annegati. Tecniche di controllo di coppia. Prestazioni limite in coppia e velocità. Motori brushless a riluttanza pura. Tecniche di controllo di coppia. Prestazioni limite in coppia e velocità.  Analisi della sensibilità alle variazioni dei parametri. Campi di applicazione e confronti fra le varie tipologie di azionamento. Esempi di applicazioni industriali ed eoliche. Simulazione di azionamenti completi in ambiente SIMULINK di MATLAB.

Azionamenti con motori asincroni

Caratteristiche dei motori asincroni. Alimentazione tramite convertitori statici di frequenza per la regolazione di velocità. Azionamenti in catena aperta. Controllo a V/F costante. Rampe di accelerazione. Azionamenti in catena chiusa. Controllo della frequenza di scorrimento. Campo di funzionamento a coppia costante ed a potenza costante.

 Modello dinamico delle macchine asincrone basato sulla teorica 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. Analisi della sensibilità alle variazioni dei parametri. Prestazioni limite in coppia e velocità degli azionamenti con motori asincroni.  Analisi della sensibilità alle variazioni dei parametri. Campi di applicazione e confronti fra le varie tipologie di azionamento. Esempi di applicazioni industriali ed eoliche. Simulazione di azionamenti completi in ambiente SIMULINK di MATLAB.

Azionamenti con motori passo-passo

 Modello dinamico semplificato dei motori passo-passo. 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. Tecniche di alimentazione. Simulazione di azionamenti completi in ambiente SIMULINK di MATLAB.

Azionamenti con motori a riluttanza variabile

 Modello semplificato dei motori a riluttanza variabile. Circuiti di alimentazione e tecniche di controllo. Analisi delle prestazioni con alimentazione due fasi alla volta ed utilizzo di profili sinusoidali di corrente. Simulazione di azionamenti completi in ambiente SIMULINK di MATLAB.

Esercitazioni

 Il Corso comprende esercitazioni numeriche e sperimentali. Nelle esercitazioni numeriche vengono implementati in ambiente SIMULINK gli schemi di controllo degli azionamenti in corrente continua e degli azionamenti brushless. Nelle esercitazioni sperimentali vengono analizzate le caratteristiche di funzionamento di azionamenti di tipo industriale.

Sistemi eolici

 Caratteristiche di una turbina eolica, limite di Betz, attuatori e azionamenti di bordo. Massimizzazione della potenza con algoritmi  MPPT. Sistemi eolici basati su macchine sincrone a magneti permanenti e a macchine asincrone a rotore avvolto.

 

Testi/Bibliografia

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: SWITCHED RELUCTANCE MOTORS AND THEIR CONTROL.Clarendon Press, Oxford.

W. Leonard: CONTROL OF ELECTRICAL DRIVES. Springer-Verlag, Berlin.

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: SWITCHED RELUCTANCE MOTORS AND THEIR CONTROL.Clarendon Press, Oxford, 1993.

W. Leonard: CONTROL OF ELECTRICAL DRIVES. Springer-Verlag, Berlin, 2001

Metodi didattici

Il Corso comprende esercitazioni numeriche. Nelle esercitazioni numeriche vengono implementati in ambiente SIMULINK gli schemi di controllo degli azionamenti in corrente continua, degli azionamenti brushless e asincroni.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta e nella discussione di un progetto di azionamenti, normalmente in ambiente Simulink.

La prova scritta dura 2 ore ed è pensata in modo da verificare la preparazione degli studenti sull'intero programma svolto, la loro capacità di condensare i concetti più importanti in un tempo limitato e di utilizzare in modo sufficiente le formule viste a lezione.

Se il risultato della prova scritta è sufficiente (>= 18), lo studente può presentare il progetto (in genere 20 minuti). Ogni progetto ha un punteggio (2-3 punti) e il voto finale è la somma dei due risultati parziali.

Se il risultato della prova scritta è >= 14 punti (il voto è sufficiente, oppure è sufficiente ma lo studente non è soddisfatto), invece di ripetere la prova scritta, lo studente può sostenere una prova orale "approfondita". Durante tale prova, oltre alla discussione del progetto, lo studente sarà interrogato sull'intero programma (in genere 45-60 minuti): vengono assegnate 5 domande, si lascia un po' di tempo per ragionare e scrivere le equazioni fondamentali, poi si avvia una discussione volta ad appurare le conoscenze dello studente.


FAQ

⦁ Ho già sostenuto la prova scritta e ho preso un voto <14. Posso venire all'orale?
No. Il voto è troppo basso. Devi studiare ancora un po’ e ripetere lo scritto.

⦁ Ho già sostenuto la prova scritta e ho preso un voto sufficiente ma non sono soddisfatto. Cosa posso fare?
Puoi ripetere lo scritto, oppure puoi presentarti all'orale approfondito. Se ripeti lo scritto, ti conservo comunque il migliore dei voti delle prove che hai precedentemente sostenuto.

⦁ Quante volte posso ripetere lo scritto?
Tutte quelle che vuoi.

⦁ Quante volte posso ripetere l'orale?
Tutte quelle che vuoi.

⦁ La relazione del progetto si può fare in gruppo?
Sì, ma il gruppo può essere al massimo di 3 persone e dovrebbe essere ben individuabile il contributo di ciascuno. Inoltre l'intero gruppo deve presentarsi alla discussione del progetto nello stesso momento.

⦁ Posso fare un progetto che non è contenuto nella lista predefinita?
Sì, ma conviene chiedermi prima se l'argomento è consono e stabilire il punteggio del progetto.

⦁ Occorre venire con una relazione scritta per il progetto? E il portatile?
Sì, la relazione deve contenere i grafici fondamentali e gli schemi per descrivere il lavoro svolto. Una relazione ben fatta mi rende più benevolo... Il portatitle non è necessario, ma è molto utile. Se trovo errori nel progetto, chiedo agli studenti di ragionarci sopra e di correggerli seduda stante. Viceversa, se il portatile non è disponibile, posso solo chiedere agli studenti di tornare un altro giorno.


Strumenti a supporto della didattica

Copia dei lucidi impiegati nelle lezioni. Modelli base delle macchine elettriche per simulazioni numeriche.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Zarri