a.a. 2015/2016 Stefano Bifaretti

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1 a.a. 2015/2016 Stefano Bifaretti Dipartimento di Ingegneria Industriale Studio CT-03 (corpo C piano terra) bifaretti@ing.uniroma2.it Sito internet didattica: didattica.uniroma2.it Sito internet gruppo ricerca: elind.uniroma2.it

2 Elettronica Industriale (9 CFU) Ing. Energetica Ing. Meccanica (a scelta) Elettronica di Potenza (9 CFU) Ing. Elettronica (indirizzo Industria e Energia) Ing. dell Automazione (a scelta) Modalità di esame A metà del corso (7-8 settimane) prova in itinere Prova orale sulla seconda metà del programma oppure Prova orale 2/24

3 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 dispositivi impiegati nei Convertitori: Diodi, BJT, MOSFET, IGBT, Tiristori. Caratterizzazione dei componenti: caratteristiche statiche, comportamento in regime transitorio, comportamento ideale. Specifiche dei costruttori. Comportamento termico. Circuiti di Pilotaggio 3/24

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. Convertitori Risonanti. Principali problemi connessi all impiego di Convertitori connessi alla rete in c.a. 4/24

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. 5/24

6 Seminari Sistemi per l alimentazione elettrica dei satelliti Thales Alenia Space Italia S.p.A. 6/24

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 7/24

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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. Le grandezze elettriche tensione e corrente della sorgente hanno caratteristiche di ampiezza e frequenza diverse da quelle imposte sul carico. 9/24

10 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) affinché la grandezza meccanica da controllare assuma il valore desiderato. 10/24

11 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. 11/24

12 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) 12/24

13 I convertitori elettronici di potenza 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 13/24

14 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 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 14/24

15 Alimentatori in c.c. o in c.a. apparecchiature elettroniche (Strumenti da laboratorio, PC, TV, sistemi di allarme ) lampade riscaldamento elettrico impianti elettrochimici 15/24

16 Gruppi statici di continuità (Uninterruptible Power Supplies, UPS) Utilizzati per fornire continuità di alimentazione oppure per produrre un alimentazione di elevata qualità 16/24

17 Azionamenti per uso industriale macchine utensili CNC (torni, frese...) macchine operatrici (nastri trasportatori, imballatrici ) laminatoi pompe idrauliche robot industriali 17/24

18 Azionamenti per uso domestico elettrodomestici (frigoriferi, lavatrici, lavastoviglie, ecc.) climatizzazione (condizionamento, riscaldamento, ventilazione) consumer (DVD, hard-disc) 18/24

19 Azionamenti per trazione ferroviaria (treni, metropolitane) impianti di risalita (cabinovie, seggiovie, ecc.) ascensori e montacarichi autoveicoli ibridi ed elettrici 19/24

20 Generazione dell energia elettrica impianti di produzione dell energia da fonti rinnovabili (fotovoltaici, eolici.) 20/24

21 Illuminazione pubblica e domestica, in particolare con LED ad alta potenza 21/24

22 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. 22/24

23 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 23/24

24 Generazione e Distribuzione dell energia elettrica in ambito Aerospaziale Sistemi di potenza negli aeromobili Alimentazione di Satelliti 24/24