Elettronica Industriale

Elettronica Industriale
Programma dettagliato
Introduzione
Presentazione del corso. Contenuti del corso. Problematiche e applicazioni di interesse per
l’elettronica industriale. Dispositivi ed esempi di applicazioni. Riferimenti “storici”.
Generalità
Classificazione dei convertitori. Definizione di distorsione. Distorsione in uscita e distorsione in
ingresso ai convertitori. Problemi dell’inquinamento della sorgente e della dissipazione in linea:
esempi. Fattore di potenza: definizione ed espressione nel caso AC. Considerazioni sul significato
di fattore di potenza. Esempi. Altri parametri di prestazione: rendimento, guadagno, regolazione,
resistenza di uscita, coefficiente di temperatura.
Convertitori in commutazione
Introduzione. Topologia della rete di commutazione (configurazioni proibite) e analisi della legge di
commutazione. Proprietà delle conversioni DC/XX e AC/XX. Confronto fra architetture a
conversione intermedia in continua e conversione diretta.
DC/DC Switching
DC/DC discesa. Relazione ingresso uscita e forme d’onda. Maximum ratings degli interruttori
(carico passivo e motore elettrico). Progetto del filtro LC; vincoli su C e L. Realizzazione del
modulatore PWM. Problematiche dell’analisi dinamica di convertitori switching. Modulazione
PWM quasi stazionaria. Introduzione al modello per componenti in bassa frequenza. Modello
equivalente per piccoli segnali a trasformatore. Calcolo della banda del DC/DC in discesa.
DC/DC in salita: analisi e considerazioni sul “costo” degli elementi reattivi; dimensionamento degli
elementi reattivi e maximum ratings degli interruttori. Analisi della dinamica.
DC/DC discesa/salita: dimensionamento degli elementi reattivi (dinamica) e maximum ratings degli
interruttori. Problematiche isolamento elettrico. Necessità di un trasformatore. Circuito equivalente
del trasformatore (modello ideale, perfetto e reale). Convertitore fly-back (inserimento
trasformatore e progetto snubber). Switching power supply. Funzionamento discontinuo.
DC/DC sincrono: perdite e problema shoot-through (dead time e adaptive gate control).
DC/DC full-bridge: modulatore PWM a tre livelli. Controllo PWM (unipolar e bipolar voltage
switching).
Componenti magnetici
Richiami sui principi e leggi fondamentali dell’elettromagnetismo ed elementi di base sui
componenti magnetici. Criteri di dimensionamento di un induttore. Perdite nel nucleo e negli
avvolgimenti. Circuito equivalente del trasformatore (modello ideale, perfetto e reale). Modello a 4
parametri e modello Spice.
Controllo DC/DC
Controllo in corrente e breve analisi di un integrato di controllo current-mode. Confronto controllo
in corrente e controllo in tensione. Controllo con isteresi.
Controllo digitale: vantaggi e problematiche.
Dispositivi di potenza
Reti di commutazione a uno, due e quattro quadranti. Diodo di free-wheeling. Introduzione ai
dispositivi di potenza. Diodi e problema del recovery inverso. BJT, MOS, IGBT. Driver ed
alimentazione isolata (isolamento elettrico e ottico). Problematiche della commutazione (forme
d’onda senza recovery, energia di commutazione e potenza dissipata). Commutazione (recovery del
diodo e induttanze parassite). Maximum ratings dei dispositivi. Dimensionamento termico
(resistenza e impedenza termica).
Motori Elettrici
Elementi fondamentali sui motori elettrici DC: principio di funzionamento, modello, equazioni e/o
caratteristiche fondamentali (coppia velocità), funzionamento a uno o più quadranti. Elementi
fondamentali sul motore AC: principio di funzionamento, modello, caratteristiche coppia/velocità e
di controllo.
DC/AC Switching
Inverter: controllo in frequenza e ampiezza a singolo impulso. Problematiche. Controllo a singolo e
a più impulsi. Tecniche di cancellazione armonica. Controllo PWM sinusoidale. Problema della
caratteristica di controllo discontinua. Unipolar e bipolar voltage switching. Inverter half-bridge e
trifase.
AC/DC non controllati
Raddrizzatore a doppia semionda: mezzo ponte e ponte intero; analisi, progetto del filtro (filtro LC)
e dimensionamento dei diodi. Calcolo del fattore di potenza. AC/DC con filtro C. Dimensionamento
filtro e diodi. Calcolo fattore di potenza. Voltage doubler. AC/DC trifase. Analisi e criteri di
progetto. Problematiche di interfaccia con la rete elettrica. Miglioramento del fattore di potenza:
filtri di ingresso passivi (esempio di progetto), filtri attivi e PFC.
AC/DC controllati
Struttura e funzionamento degli SCR. Meccanismo di accensione e spegnimento. Caratteristica I/V.
Impiego nella conversione AC/DC e AC/AC con relative forme d’onda. Cenni a commutazione
forzata e GTO.
DC/DC lineari
AC/DC + DC/DC: considerazioni su utilizzo regolatori switching e lineari. Schemi di regolatori
LDO lineari a Zener, con amplificazione di corrente, con OP-AMP, con amplificatore di tensione,
con limitazione di corrente. Utilizzo di regolatori integrati a tre e quattro terminali.
Note su applicazioni
UPS. Qualità dell’energia. Classificazione degli UPS e tipologie VFD, VI, VFI. Schema a blocchi e
scelte progettuali. Schema elettrico e tipologie di inverter (HB, NPC, T-NPC, AT-NPC).
Impianti Fotovoltaici. Tipologie, generatore fotovoltaico, impianti grid-connected. Cella
fotovoltaica e MPPT. Tipologie di inverter (FB asimmetrico e NPC).
Esercitazioni
Esercizi di progetto in aula.
Laboratorio: progetto, realizzazione e test di un DC/DC Flyback.