a.a. 2017/2018 Prof. Stefano Bifaretti Dipartimento di Ingegneria Industriale Studio CT-03 (corpo C piano terra)

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1 a.a. 2017/2018 Prof. Stefano Bifaretti Dipartimento di Ingegneria Industriale Studio CT-03 (corpo C piano terra) bifaretti@ing.uniroma2.it

2 ISCRIZIONE AL CORSO SU DELPHI Permette agli studenti di ricevere tempestivamente eventuali comunicazioni da parte del docente Modalità di esame Prova orale 2/23

3 Introduzione ai sistemi elettronici impiegati per la conversione statica dell energia elettrica. Parte Prima: Semiconduttori di Potenza Richiami sulle reti elettriche lineari. Cenno ai principali dispositivi impiegati nei Convertitori: Diodi, BJT, MOSFET, IGBT, Tiristori, Tecnologie emergenti. Caratterizzazione dei componenti: caratteristiche statiche, comportamento in regime transitorio, comportamento ideale. Specifiche dei costruttori. Comportamento termico. Circuiti di Pilotaggio 3/23

4 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. Cenno ai Convertitori Risonanti. Principali problemi connessi all impiego di Convertitori connessi alla rete in c.a. 4/23

5 Parte Terza: Applicazioni dell Elettronica di Potenza Gruppi statici di continuità (UPS) Convertitori utilizzati negli impianti fotovoltaici: sistemi di generazione autonomi in c.c. impianti connessi alla rete di distribuzione Microgrids e Smart Grids Durante il corso verranno svolte alcune esercitazioni sull uso dell ambiente di simulazione Matlab/Simulink/Simpowersystem specifico per l elettronica di potenza, le linee elettriche e gli azionamenti elettrici. 5/23

6 Seminari Sistemi per l alimentazione elettrica dei satelliti Thales Alenia Space Italia S.p.A. 6/23

7 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 e scaricabili dal sito didattica 7/23

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9 I convertitori statici di energia sono dispositivi elettronici che permettono il trasferimento controllato di energia elettrica da una sorgente ad un carico. Sorgente v s (t), i s (t), f s Convertitore Statico v o (t), i o (t), f o Carico Le grandezze elettriche tensione e corrente della sorgente hanno caratteristiche di ampiezza e frequenza diverse da quelle imposte sul carico. 9/23

10 Un tipo di conversione largamente utilizzato nelle applicazioni industriali è quello elettro-meccanico. Sorgente v s (t), i s (t), f s Convertitore Statico v o (t), i o (t), f o M Carico Meccanico Valore Desiderato Controllo Misure La grandezza di uscita è meccanica (coppia, velocità, posizione). Il convertitore statico eroga le tensioni e le correnti opportune (in ampiezza, fase e frequenza) affinché la grandezza meccanica da controllare assuma il valore desiderato. 10/23

11 Il progetto dei convertitori elettronici di potenza richiede un approccio multidisciplinare coinvolgendo diverse tecnologie in rapida evoluzione: Semiconduttori di Potenza Topologie circuitali Tecniche di analisi e di simulazione numerica Dispositivi di calcolo e processamento dei segnali real-time (Microcontrollori, Digital Signal Processor, FPGA) Aumento dei settori applicativi per i quali l elettronica di potenza è diventata tecnologia abilitante: industria, energia, trasporto, aerospazio 11/23

12 Perché i convertitori elettronici di potenza sono così importanti? I processi di conversione dell energia elettrica sono ad alta efficienza Sono caratterizzati da basso costo, alta disponibilità 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 in diversi settori emergenti (automobili elettriche, generazione distribuita, aeromobili e reti elettriche di prossima generazione) 12/23

13 Alimentatori in c.c. o in c.a. apparecchiature elettroniche (Strumenti da laboratorio, PC, TV, sistemi di allarme ) lampade riscaldamento elettrico impianti elettrochimici 13/23

14 Gruppi statici di continuità (Uninterruptible Power Supplies, UPS) Utilizzati per fornire continuità di alimentazione oppure per produrre un alimentazione di elevata qualità 14/23

15 Azionamenti per uso industriale macchine utensili CNC (torni, frese...) macchine operatrici (nastri trasportatori, imballatrici ) laminatoi pompe idrauliche robot industriali 15/23

16 Azionamenti per uso domestico elettrodomestici (frigoriferi, lavatrici, lavastoviglie, ecc.) climatizzazione (condizionamento, riscaldamento, ventilazione) consumer (DVD, hard-disc) 16/23

17 Azionamenti per trazione ferroviaria (treni, metropolitane) impianti di risalita (cabinovie, seggiovie, ecc.) ascensori e montacarichi autoveicoli ibridi ed elettrici 17/23

18 The More Electric Aircraft Power generation and distribution Electrical Drives replace Hydraulic (flight control surface, landing gear ) and pneumatic drives (cabin pressurization, de-icing ) 18/23

19 Generazione dell energia elettrica impianti di produzione dell energia da fonti rinnovabili (fotovoltaici, eolici.) 19/23

20 Illuminazione pubblica e domestica, in particolare con LED ad alta potenza 20/23

21 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. 21/23

22 Trasmissione e Distribuzione dell energia elettrica Dispositivi attivi per il rifasamento delle linee (Static Compensator, STACOM) Trasmissione controllata dell energia elettrica (Smart Grid) Microgrid Architettura attuale Possibile architettura futura 22/23

23 Power Generation and Distribution for Satellites Solar arrays interface Battery chargers 23/23