ingegneria elettrotecnica

INGEGNERIA ELETTROTECNICA
PROGRAMMA FORMATIVO NEI TRE ANNI DEL CICLO
(breve descrizione con dettaglio annuale)
Il Corso intende sviluppare le moderne tematiche di carattere elettrico quali ad esempio: elettronica di
potenza, azionamenti per l’automazione, per la robotica e per la trazione; macchine elettriche non
convenzionali; autoveicolo elettrico moderno; metodi di analisi, gestione e progettazione di sistemi
elettrici; ristrutturazione del mercato dell’energia elettrica; architetture innovative per la distribuzione
elettrica; modelli e metodi numerici; progettazione assistita da calcolatore di componenti e sistemi
elettrici; uso razionale dell’energia e fonti rinnovabili; compatibilità elettromagnetica. I Curricula del
Corso sono personalizzati come segue.
Circuiti elettronici di potenza
1° anno: L’attività riguarda lo studio dei sistemi elettrici multifase, con particolare riferimento agli
inverter a tensione impressa (VSI) per applicazioni elettriche di grossa potenza (MW), quali
trazione ferroviaria e propulsione navale. Nel corso del primo anno viene studiato e sviluppato
l’impiego dei vettori di spazio multipli per lo studio dei sistemi elettrici multifase. Particolare
attenzione sarà rivolta ai sitemi con numero di fasi multiplo di tre, particolarmente interessanti
per la semplicità realizzativa, basata sulla modularità trifase.
2° anno: Durante il secondo anno saranno studiate e messe a punto tecniche di modulazione vettoriale
degli inverter a tensione impressa. Tali tecniche dovranno consentire il pieno sfruttamento della
tensione di alimentazione e l’eventuale minimizzazione del ripple di corrente in uscita. E’
prevista l’implementazione al calcolatore delle tecniche proposte per la verifica preliminare
degli sviluppi analitici e delle relative prestazioni.
3° anno: Le tecniche di modulazione proposte saranno implementate in ambiente DSPACE nel corso del
terzo anno. E’ prevista una realizzazione sperimentale di inverter multifase VSI presso l
laboratorio del DIE, se pur di taglia di potenza ridotta. A seconda delle disponibilità
economiche e commerciali, il sistema inverter-utilizzatore potrà essere a 7 fasi o a 9 fasi, e
riguardare un carico passivo o un motore elettrico multifase appositamente realizzato.
Compatibilità Elettromagnetica
Profilo (A): studio dell’efficienza di schermatura di materiali dispersivi
1° anno: L’attività di ricerca riguarda lo studio delle proprietà elettriche dei materiali dispersivi per
predirne l’efficienza di schermatura alle onde elettromagnetiche. Durante il primo anno il
dottorando dovrà acquisire competenze relative alla modellistica elettrica dei materiali
dispersivi, alle modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche, al calcolo
dell’efficienza di schermatura e alle tecniche numeriche più appropriate in relazione alla
frequenza di diversi fenomeni elettromagnetici, con particolare riferimento a possibili impieghi
di materiali nanostrutturati. Saranno inoltre studiati le tecniche e gli apparati sperimentali per la
misura dei parametri elettrici dei materiali schermanti e dell’efficienza di schermatura.
2° anno: Durante il secondo anno il dottorando svilupperà e metterà a punto un modello che caratterizzi
una prescelta tipologia di materiali schermanti. Inoltre, procederà alla progettazione,
realizzazione e verifica degli apparati sperimentali necessari per la misura dei parametri
elettrici dei materiali schermanti e dell’efficienza di schermatura.
3° anno: Il dottorando effettuerà la validazione del modello sviluppato confrontando i risultati ottenuti
dalle misure con le previsioni fornite dal modello proposto.
Profilo (B): Studio degli accoppiamenti elettromagnetici
1° anno: L’attività di ricerca riguarda una metodologia di studio degli accoppiamenti elettromagnetici in
ambiente risonante basato sulla teoria delle linee di trasmissione multimodali. Durante il primo
anno il dottorando dovrà acquisire competenze relative ai meccanismi di sorgente di disturbo
pilotati dalla corrente e dalla tensione prendendo in considerazione alcune tipiche topologie di
convertitori switched-mode power supplies (SMPS).
2° anno: Durante il secondo anno sarà sviluppato e messo a punto un pacchetto software per il calcolo di
correnti, tensioni e accoppiamento elettromagnetico nei diversi sottosistemi estratti dal sistema
SMPS. Il modello sarà validato confrontando i valori calcolati della corrente di modo comune
con quelli misurati su un tipico convertitore SMPS.
3° anno: La disponibilità di un metodo analitico per il calcolo degli accoppiamenti elettromagnetici
consente di intervenire agevolmente sul layout circuitale del sistema SMPS per minimizzare
tali accoppiamenti e, di conseguenza, le emissioni irradiate. Pertanto, nel III anno, si procederà
al progetto ottimizzato di un tipico convertitore SMPS riguardo alle emissioni irradiate. Questo
rappresenta il tema da svolgere nell’ultimo anno del corso. La validità del progetto ottimizzato
sarà verificata mediante misure del campo elettromagnetico vicino irradiato dal convertitore in
camera semianecoica.
Convertitori, Macchine ed Azionamenti Elettrici
Profilo (A): Sviluppo e realizzazione di un azionamento di tipo innovativo per macchine a corrente
alternata.
Il percorso formativo del dottorando sarà basato principalmente sulla frequentazione di corsi specifici
tenuti presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna, sulla partecipazione a seminari specifici
tenuti da docenti ed esperti della materia ed infine sulla frequentazione di insegnamenti ufficiali
della Facoltà di Ingegneria di Bologna mutuati da altri Corsi di Studio.
1° anno. Inizialmente il dottorando acquisirà le conoscenze di base sugli azionamenti per macchine a
corrente alternata ed, in particolare, approfondirà tecniche quali le metodologie di analisi e
progettazione delle strutture elettromagnetiche per la conversione elettromeccanica
dell’energia, le metodologie di controllo e progettazione dei convertitori statici, le tecniche di
controllo per azionamenti scalari e vettoriali, le tecniche di diagnostica dei guasti e le tecniche
di controllo fault-tolerant.
2° anno. Nel secondo anno di corso il candidato approfondirà la sua conoscenza su alcune strutture
innovative di conversione statica ed elettromeccanica dell’energia, ponendo particolare
attenzione sui possibili vantaggi derivanti dal loro impiego in un azionamento ad alte
prestazioni. Saranno realizzate simulazioni numeriche e implementi algoritmi ottimizzati di
progettazione negli ambienti di sviluppo e con i linguaggi di programmazione ritenuti più
idonei. Le strutture di conversione statica che saranno prese in considerazione sono gli inverter
multilivello, il convertitore a matrice e l’inverter multifase. Per tali strutture il dottorando
acquisirà dettagliate conoscenze relative alle strategie di modulazione usualmente adottate ed
alle problematiche di implementazione.
3° anno. Nell’ultimo anno il percorso formativo riguarderà lo studio e l’approfondimento delle
problematiche concrete legate alla realizzazione di un prototipo di un azionamento innovativo
ad alte prestazioni per macchine a corrente alternata con controllo digitale, per applicazioni
automotive, di automazione industriale e per lo sfruttamento delle energie da fonte rinnovabile.
Profilo (B): Sistemi meccatronici per la conversione dell’energia.
1° anno. Il dottorando svolgerà un’ampia indagine bibliografica, individuando nella letteratura scientifica
gli articoli di maggiore interesse riguardanti l’argomento, suddividendoli poi in base alla
tecnologia ed alla economia di realizzazione. L’indagine sarà relativa sia ai sistemi di
condizionamento della potenza per l’interfacciamento con la rete di fonti rinnovabili (eolico,
mini-idro, fotovoltaico) che ai ‘powertrain’ ibridi per veicoli terrestri e per mezzi navali. Per le
diverse applicazioni si individueranno gli algoritmi più opportuni sia tra quelli già sviluppati
dal gruppo di ricerca di Bologna che da altri. Per le due famiglie di applicazioni si sceglierà la
configurazione ottimale dei dispositivi di potenza che andranno sviluppati e quindi la
configurazione e la taglia dei prototipi in scala di laboratorio che si prevederà di realizzare. Si
metteranno a punto algoritmi, in parte già sviluppati presso il gruppo di ricerca di Bologna, per
l’esecuzione di task specifici (controllo dei singoli sottosistemi). In particolare per i sistemi
interfacciati con la rete elettrica si metterà a punto un algoritmo di controllo del convertitore di
interfaccia che sia semplice ed affidabile in ogni condizione operativa. Gli algoritmi sviluppati
saranno sperimentati sul sistema dedicato alla prototipazione rapida di convertitori elettronici di
potenza disponibile presso il laboratorio LEMAD. La metodologia di svolgimento dell'attività
di sviluppo, che sarà utilizzata per tutta la durata del dottorato prevede la cosiddetta
prototipazione rapida, cioè la sovrapposizione di parte della simulazione numerica alla fase di
progettazione vera e propria del sistema di controllo implementato su Digital Signal Processor
(DSP).
2° anno. Il dottorando estenderà lo studio dei sistemi PCS completi, per almeno una delle applicazioni
esaminate nel corso del primo anno. Si realizzerà quindi: un algoritmo per il controllo
dell'interfacciamento con la rete o un algoritmo per il controllo di un generatore elettrico
collegato ad un motore primo; un algoritmo per la gestione del flusso di potenza bidirezionale
tra la rete ed un sistema di accumulo dell'energia; un algoritmo per la gestione del flusso di
potenza tra un sistema di generazione ed un sistema di carichi; un algoritmo per la gestione del
flusso di potenza tra due sistemi di generazione primaria ed un’utenza che può essere
rappresentata da un azionamento controllo motore (applicazione ‘powertrain’) o dalla rete
stessa (applicazione ‘ generazione con fonti ‘rinnovabili’); un algoritmo che sovraintenda e
gestisca in modo coordinato gli algoritmi per il controllo di ciascuna delle unità di produzione
considerate e già definite nel corso del primo anno. A titolo di esempio, le configurazioni di
struttura elettronica di potenza che saranno esaminate per una possibile applicazione in questo
settore saranno i convertitori trifase a due livelli e multilivello, ed i convertitori a matrice,
mentre le macchine elettriche utilizzate in questi sistemi potranno essere sia di tipo asincrono
che sincrono.
3° anno. Saranno esaminate le applicazioni di interesse pratico della struttura sviluppata. Una prima
applicazione riguarda l’interfacciamento di generatori eolici realizzati con sistemi di
conversione elettromeccanica tradizionale o mediante CVT. Una seconda applicazione molto
simile dal punto di vista della struttura di condizionamento della potenza è l’interfacciamento
di un campo fotovoltaico con la rete elettrica. In entrambi i casi la gestione del convertitore
collegato al sistema primario di produzione dell’energia dovrà contenere l’algoritmo di
controllo del punto di funzionamento nella condizione di massima potenza estratta. Una terza
applicazione riguarda la realizzazione di un sistema ibrido diesel elettrico destinato alla
propulsione di navi. Anche in questo caso la gestione delle unità collegata al sistema di
produzione di energia (motore primo) sarà controllata da un algoritmo che consenta di
mantenere il motore primo in condizioni di consumo minimo. Per l’applicazione prescelta si
realizzerà un prototipo di laboratorio in scala industriale completo, comprendente sia la parte di
controllo che la parte di potenza e un sistema per la simulazione della sorgente primaria di
potenza. Si realizzerà una campagna di prove per verificare sperimentalmente le prestazioni
della struttura e dell'algoritmo di controllo proposto.
Magnetofluidodinamica Applicata
Profilo (A): Metodi Numerici per plasmi, Regimi MHD e Regimi EHD
1° anno. Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte dei modelli per l’analisi multidimensionale del regime
MHD ed EHD. Ricerca bibliografica su modelli Particle in Cell (PIC) e su solutori
multidimensionali per l’equazione di Boltzmann.
2° anno. Elaborazione di codici di calcolo che si integrino con i pacchetti software già sviluppati
all’interno del Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi. I codici dovranno in
particolare includere gli effetti di ionizzazione del non equilibrio e di distribuzioni energetiche
degli elettroni non maxwelliane. Realizzazione di un semplice codice PIC per l’analisi di Plasmi
a bassa pressione. Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte modelli per l’analisi
multidimensionale del regime MHD con numeri di Reynolds magnetici elevati. Realizzazione di
un codice per l’analisi di sistemi EHD in flussi subsonici.
3° anno. Realizzazione di codici di calcolo in grado di analizzare regimi MHD ed EHD. Studio ed analisi
di dati sperimentali, analizzati nel corso del Dottorato o disponibili in letteratura.
Profilo (B): Attività Sperimentali in Regimi MHD ed EHD, e Metodi diagnostici per plasmi
1° anno. Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte delle tecniche diagnostiche per lo studio di plasmi ed
delle attività sperimentali sulla MHD. Particolare rilievo assumeranno le metodologie
spettroscopiche di imaging e microwave. Ricerca bibliografica su modelli Particle in Cell (PIC) e
su solutori multidimensionali per l’equazione di Boltzmann. Ricerca bibliografica sulle attività
sperimentali di interazione MHD in flussi ipersaonici, di interazione EHD in flussi flussi
subsonici e sulla generazione MHD di energia elettrica.
2° anno. Elaborazione e messa a punto dell’impianto sperimentale EHD del Laboratorio di Ingegneria
Magnetofluidodinamica e Plasmi del DIE e delle attività sperimentali relative. Elaborazione e
messa a punto delle attività sperimentali sull’interazione MHD in flussi ipersonici. Elaborazione
e messa a punto di un sistema diagnostico a micro-onde, del sistema Shlieren, dei metodi
diagnostici di imaging e dei metodi spettroscopici per il rilevamento delle caratteristiche del
plasma. Tale diagnostica sarà integrata con quelle già presenti presso il Laboratorio di Ingegneria
Magnetofluidodinamica e Plasmi ed ivi testata.
3° anno. Integrazione delle attività sperimentali citate e delle relative diagnostiche con icodici sviluppati,
al fine di aumentare le capacità interpretative e di validare i codici. Applicazione delle
diagnostiche sviluppate a casi di studio, nell’ambito di ricerche inerenti interazioni MHD ed
EHD in flussi ipersonici e subsonici, scariche a barriera o propulsori elettrici spaziali.
Misure e Strumentazione Elettrica ed Elettronica
1° anno. Studio degli argomenti di base relativi ai sistemi di simulazione ibridi ad architettura distribuita
con particolare riferimento alle diverse componenti che costituiscono questi sistemi.
Approfondimento delle conoscenze relative all’ambiente di simulazione “Virtual Test Bed”
realizzato dall’University of South Carolina in collaborazione con la Marina Militare degli Stati
Uniti.
2° anno. Approccio critico ed approfondito alle problematiche relative alla qualità dell’energia nei
sistemi elettrici in isola, con particolare riferimento al caso delle “All Electric Ships”. Analisi
delle architetture e degli ambienti di programmazione orientati ai sistemi di misura distribuiti.
Studio delle caratteristiche dei sensori da applicare ai sistemi di misura distribuiti, orientati alla
scelta dei dispositivi più idonei per queste applicazioni.
3° anno. Studio delle interazioni mutue fra il sistema di misura e l’ambiente operativo originate dalle
condizioni di lavoro estremamente gravose (alte temperature, vibrazioni, campi elettromagnetici,
ecc.). Progettazione e realizzazione di un prototipo del sistema di misura distribuito proposto da
testare sottoponendolo a sollecitazioni adeguate.
Ottimizzazione del Progetto di Dispositivi Elettromagnetici
1° anno. Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte degli algoritmi di minimizzazione scalare e vettoriale
di tipo sia deterministico che stocastico. Il dottorando dovrà acquisire ed approfondire le tecniche
di soluzione analitica e numerica delle equazioni integro differenziali per lo studio dei campi e
dei circuiti.
2° anno. Il dottorando dovrà formulare il modello del dispositivo oggetto della ricerca, sviluppare in
maniera autonoma l’algoritmo per il progetto del dispositivo ed individuare le attività
sperimentali necessarie al supporto/validazione del modello stesso.
3° anno. Il dottorando dovrà svolgere le attività sperimentali previste ed analizzare criticamente i risultati
ottenuti individuandone la collocazione nel quadro delle ricerche internazionali in corso nel settore.
Sistemi elettrici di Potenza
1° anno. Al primo anno è dedicato l’inquadramento scientifico dell’analisi dei sistemi elettrici di potenza
e dello specifico tema oggetto del dottorato. Il candidato dovrà inizialmente acquisire
competenze specifiche sul tema. Ciò si realizzerà mediante lo studio della letteratura scientifica
sull’argomento e grazie alla frequentazione di corsi tenuti presso la Facoltà di Ingegneria
(indicati di seguito nel campo apposito) nonché di seminari ‘ad hoc’. Inizierà durante il primo
anno la fase di acquisizione delle metodologie specialistiche per l’analisi dei sistemi elettrici di
potenza e lo sviluppo della metodologia della ricerca.
2° anno. Il candidato dovrà mettere a punto le metodologie specialistiche per l’analisi e la trattazione del
problema acquisendo la necessaria autonomia. E’ prevista anche in questo secondo anno la
partecipazione a corsi e seminari ‘ad hoc’ presso la Facoltà di Ingegneria e presso sedi esterne.
3° anno. Si ritiene che le conoscenze acquisite durante i primi due anni siano sufficienti. Su richiesta del
dottorando, si potranno vagliare modifiche al percorso, consentendo la partecipazione a corsi
specialistici anche al terzo anno.
Superconduttività Applicata
1° anno. Il dottorando affronterà una fase di studio finalizzata all'acquisizione delle competenze
interdisciplinari necessarie per lo studio degli apparati superconduttivi. In particolare egli
analizzerà gli aspetti generali della fisica dei materiali superconduttori e consoliderà le sue
conoscenze nell'ambito della teoria dell’elettromagnetismo, con particolare riguardo ai metodi
matematici per lo studio dei problemi di campo e alle tecniche numeriche per la soluzione di
problemi complessi. Inoltre acquisirà le nozione di base relative alle problematiche criogeniche
connesse alla superconduttività e analizzerà le potenziali applicazioni dei materiali SC
nell'ambito dei sistemi elettrici di potenza, prendendo in considerazioni sia la possibilità di
accrescere le prestazioni dei dispositivi tradizionali sia lo sviluppo di dispositivi di nuova
concezione resi possibili dalle peculiari proprietà dei superconduttori.
2° anno. Il dottorando formulerà, servendosi di strumenti software commercialmente disponibili od
appositamente sviluppati, un opportuno modello per l'analisi del dispositivo superconduttore o
del processo oggetto della ricerca ed individuerà le attività sperimentali e/o di approfondimento
modellistico/numerico necessarie per la sua comprensione e per la comparazione con le soluzioni
alternative che non fanno uso di tecnologie superconduttive.
3° anno. Il dottorando svilupperà le attività sperimentali e/o di approfondimento modellistico individuate
e ne analizzerà criticamente i risultati confrontandoli e/o integrandoli con quelli pubblicati dalla
letteratura specialistica internazionale, traendo le opportune conclusioni sullo state dell'arte e
individuando le linee di approfondimento future.
Tecnologie Elettriche
Il percorso formativo per l’indirizzo di ricerca in tecnologie elettriche sarà articolato sulla frequentazione di corsi tenuti presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna e di seminari tenuti dai proff. Gian Carlo
Montanari ed Andrea Cavallini così come da altri ricercatori di Università/centri di ricerca nazionali ed
internazionali.
1° anno Mediante i corsi previsti ed una esaustiva ricerca bibliografica saranno fornite le conoscenze
necessarie per inquadrare l’obiettivo del dottorato in un ampio contesto. In particolare, sa-ranno
fornite le conoscenze di fisica dei fenomeni essenziale per garantire al dottorando una piena
autonomia nella valutazione dei problemi.
2° anno Durante il secondo anno di dottorato prevede l’acquisizione di metodologie specialistiche per
l’analisi e la trattazione dei dati. Così come l’acquisizione di nozioni di fisica e tecnologiche relative a problemi specialistici per l’argomento scelto.
3° anno Si ritiene che le conoscenze acquisite durante i primi due anni siano sufficienti. Tuttavia, su
richiesta dello studente, si potranno vagliare modifiche al percorso, eventualmente permettendo al dottorando di frequentare corsi specialistici anche al terzo anno.