1.Introduzione

a.a. 2013/2014
Stefano Bifaretti
Dipartimento di Ingegneria Elettronica
Studio CT-03 (corpo C piano terra)
email: [email protected]
Sito internet didattica: didattica.uniroma2.it
Sito internet gruppo ricerca: elind.uniroma2.it
Elettronica Industriale (6 CFU), Ing. Energetica
Si svolgerà nelle prime 11 settimane
con 3 lezioni a settimana
(3 lezioni saranno solo per elettronici)
fino a metà dicembre 2013
•
•
Modalità di esame
A metà del corso (5 settimane) prova in itinere
Prova orale sulla seconda metà del programma
oppure
Prova orale
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Elettronica di Potenza (9 CFU)
Ing. Elettronica (indirizzo Industria e Energia)
Ing. dell’Automazione
•
Modalità di esame
A metà del corso (7 settimane) prova in itinere
•
Prova orale sulla seconda metà del programma
oppure
Prova orale
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Parte Prima: Semiconduttori di Potenza
 Introduzione ai sistemi elettronici impiegati per la conversione
statica dell’energia elettrica.
 Richiami sulle reti elettriche lineari.
 Cenno ai principali componenti impiegati nei Convertitori:
Diodi, BJT, MOSFET, IGBT, Tiristori.
 Caratterizzazione dei componenti: caratteristiche statiche,
comportamento in regime transitorio, comportamento ideale.
Specifiche dei costruttori. Comportamento termico.
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Parte Seconda: Convertitori di Potenza
 Caratterizzazione e classificazione dei Convertitori statici.
 Metodi di analisi dei Convertitori statici.
 Descrizione delle principali famiglie di Convertitori statici:
• Convertitori c.c.-c.c. (Chopper)
• Convertitori c.c.-c.a. (Inverter)
• Convertitori c.a.-c.c. (Raddrizzatori)
• Convertitori bidirezionali 4 Quadranti
• Convertitori c.a.-c.a.
 Convertitori pluristadio.
 Principali problemi connessi all’impiego di Convertitori connessi
alla rete in c.a.
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Parte Terza: Applicazioni dell’Elettronica di Potenza
 Gruppi statici di continuità (UPS).
 Convertitori utilizzati nelle applicazioni fotovoltaiche:
• sistemi di generazione in c.c.
• impianti fotovoltaici per la produzione dell’energia elettrica in
c.a.
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Parte Terza: Applicazioni dell’Elettronica di Potenza
 Gruppi statici di continuità (UPS).
 Convertitori utilizzati nelle applicazioni fotovoltaiche:
• sistemi di generazione in c.c.
• impianti fotovoltaici per la produzione dell’energia elettrica in
c.a.
Termine del corso da 6 CFU
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Argomenti svolti solo per il corso da 9 CFU
 Esercitazioni sulla simulazione dei convertitori elettronici
attraverso Matlab/Simulink/Simpowersystem
 Approfondimenti sui convertitori
 Controllo dei convertitori c.c.-c.c.
 Controllo dei convertitori c.c.-c.a. connessi alla rete di distribuzione
•
Problemi relativi alla sincronizzazione dell’inverter con la rete
trifase e monofase (PLL)
•
Controllo di un inverter per impianti fotovoltaici
 Filtri Attivi
 Convertitori Risonanti
 Azionamenti con motori in alimentati in c.c.
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Corsi Integrativi
 Sistemi per l’alimentazione elettrica dei satelliti
Thales Alenia Space Italia S.p.A.
 ……………………………
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Testo consigliato
A. Bellini, S. Bifaretti, S. Costantini
Elettronica di potenza
ARACNE Editrice
Eventuale Testo di approfondimento
N. Mohan, T.M. Underland, W. P. Robbins
Elettronica di potenza
Ulrico Hoepli Editore
Dispense fornite dal docente scaricabili dal sito didattica
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I convertitori statici di energia sono dispositivi elettronici che
permettono il trasferimento controllato di energia elettrica da
una sorgente ad un carico.
Le grandezze elettriche tensione e corrente della sorgente hanno
caratteristiche diverse di ampiezza e frequenza diverse da quelle
imposte sul carico.
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Un tipo di conversione largamente utilizzato nelle applicazioni
industriali è quello elettro-meccanico.
La grandezza di uscita è meccanica (coppia, velocità, posizione).
Il convertitore statico eroga le tensioni e le correnti opportune
(in ampiezza, fase e frequenza) per controllare il motore.
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Un tipo di conversione largamente utilizzato nelle applicazioni
industriali è quello elettro-meccanico.
Il valore desiderato per la grandezza di uscita viene imposto attraverso
un opportuno sistema elettronico di controllo che fornisce i segnali di
comando al convertitore.
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Controllo a catena aperta
Il controllo non utilizza misure della variabile controllata
• bassa complessità
• costo contenuto
• scarse prestazioni sia statiche che dinamiche (elevata differenza tra il
valore desiderato e quello effettivo, scarsa robustezza rispetto alle
variazioni parametriche ed ai disturbi)
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Controllo a catena chiusa
Il controllo utilizza misure della variabile controllata
• complessità del controllo più elevata
• costi più elevati sia hardware che software (trasduttori,
microcontrollori, tempo di realizzazione degli algoritmi)
• elevate prestazioni sia statiche che dinamiche (inseguimento
dinamico del valore desiderato, elevata robustezza rispetto alle
variazioni parametriche ed ai disturbi)
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Ulteriori tipo di conversione sono:
• elettro-termica (trattamenti termici: fusione, tempra)
• elettro-chimica (processi elettrochimici: elettrolisi,
elettrodeposizione)
• elettro-luminosa (regolazione luminosa, alimentazione di lampade
fluorescenti o a LED)
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I sistemi elettronici di conversione impiegano diverse tecnologie che
negli ultimi anni hanno subito notevoli innovazioni:
• Semiconduttori di Potenza
• Microprocessori e circuiti di elaborazione dei segnali
• Topologie circuitali di sistemi di convertitori dell’energia
• Tecniche di analisi e di simulazione numerica
Tali innovazioni hanno prodotto un notevole aumento delle
prestazioni ottenibili dai sistemi di conversione grazie allo sviluppo
di tecniche di controllo in tempo reale.
Aumento delle applicazioni di elettronica di potenza in tutti i settori:
industriale, commerciale, residenziale, energetico, aerospaziale,
militare, trasporti…
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Perché i sistemi elettronici di conversione sono così importanti?
• I processi di conversione dell’energia elettrica sono ad alta efficienza
• Sono caratterizzati da basso costo, alta affidabilità e durata, elevato
rapporto potenza/volume
• Sono fondamentali nell’automazione dei processi industriali moderni
(aumento della produttività , miglioramento della qualità dei prodotti,
risparmio energetico)
• Rappresentano una tecnologia abilitante nei sistemi di generazione
distribuiti e nell’integrazione delle sorgenti di energia rinnovabili alla
rete elettrica di distribuzione
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Alimentatori in c.c. o in c.a.
• apparecchiature elettroniche (Strumenti da laboratorio, PC,
TV, sistemi di allarme…)
• lampade
• riscaldamento elettrico
• impianti elettrochimici
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Gruppi statici di continuità
(Uninterruptible Power Supplies, UPS)
Utilizzati per fornire continuità di alimentazione oppure per
produrre un alimentazione di elevata qualità
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Azionamenti per uso industriale
• macchine utensili CNC (torni, frese...)
• macchine operatrici (nastri trasportatori, imballatrici…)
• laminatoi
• pompe idrauliche
• robot industriali
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Azionamenti per uso domestico
• elettrodomestici (frigoriferi, lavatrici, lavastoviglie, ecc.)
• climatizzazione (condizionamento, riscaldamento, ventilazione)
• consumer (DVD, hard-disc)
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Azionamenti per trazione
• ferroviaria (treni, metropolitane)
• impianti di risalita (cabinovie, seggiovie, ecc.)
• ascensori e montacarichi
• autoveicoli ibridi ed elettrici
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Generazione dell’energia elettrica
• impianti di produzione dell’energia da fonti
(fotovoltaici, eolici….)
rinnovabili
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Illuminazione pubblica e domestica, in particolare con
LED ad alta potenza
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Trasmissione e Distribuzione dell’energia elettrica
• Trasmissione dell’energia elettrica in corrente continua (High Voltage
Direct Current, HVDC)
Il principale vantaggio della trasmissione HVDC sono le minori perdite
rispetto alla trasmissione in AC per lunghe distanze ed in particolare per
collegamenti sottomarini per i quali i più elevati valori di capacità lungo la
linea aumentano le perdite in AC rispetto ai cavi in aria.
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Trasmissione e Distribuzione dell’energia elettrica
• Dispositivi attivi per il rifasamento delle linee (Static Compensator,
STACOM)
• Trasmissione controllata dell’energia elettrica (Smart Grid)
Architettura attuale
Architettura futura
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Generazione e Distribuzione dell’energia elettrica
in ambito Aerospaziale
• Sistemi di potenza negli aeromobili
• Alimentazione di Satelliti
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