Progetto di Convertitori Statici di Potenza

Parte 1 Progettazione hardware dei convertitori statici di potenza
Criteri generali per la progettazione dei convertitori statici di potenza. Analisi delle principali topologie DC/DC, AC/DC e DC/AC. Modelli ideali e reali dei convertitori. Dimensionamento dei componenti di filtro sulla base delle specifiche di ripple di corrente e tensione. Selezione dei semiconduttori di potenza e calcolo delle perdite di conduzione, commutazione e reverse recovery. Calcolo delle correnti medie ed efficaci. Dimensionamento termico e scelta del sistema di raffreddamento. Selezione di condensatori di potenza e progettazione degli induttori. Tecniche PWM, dead time e iniezione di terza armonica. Modellazione, simulazione e verifica sperimentale mediante MATLAB/Simulink e sistemi hardware-in-the-loop.
Parte 2 Modellazione dinamica e progettazione del controllo
Modellazione dinamica dei convertitori buck, boost, buck-boost e trifase mediante equazioni nello spazio di stato. Derivazione dei modelli medi e alle piccole variazioni e modello del modulatore PWM. Trasformazioni abc-dq0 e modellazione dei convertitori trifase nel riferimento rotante. Funzioni di trasferimento, impedenza di uscita, diagrammi di Bode, risonanza e fattore di qualità. Guadagno d'anello, funzioni di sensibilità, stabilità e margine di fase. Progetto dei regolatori P, PI, PD e PID nei domini continuo e discreto. Controllo in catena chiusa dei convertitori DC/DC e trifase AC/DC e DC/AC. Implementazione e validazione mediante MATLAB/Simulink e hardware-in-the-loop.

Per una proficua partecipazione al corso sono richieste conoscenze di base relative ai circuiti elettrici in corrente continua e alternata, ai sistemi elettrici per applicazioni industriali e ai principi fondamentali dell’elettronica di potenza. È inoltre auspicabile una conoscenza di base dei dispositivi elettronici di potenza e delle principali topologie di conversione statica dell’energia.

Oltre alle dispense a cura del docente
 R.W. Erickson, D. Maksimovic: Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publisher,2000.
 S. Buso, P. Mattavelli: Digital Control in Power Electronics, Morgan & Claypool Publishers, 2006
 N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins: Power Electronics, Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons

“Power Electronic System Design, Linking Differential Equations, Linear Algebra, and Implicit Functions”, Keng Wu
“Power Electronic Converters Modeling and Control with Case Studies”, Seddik Bacha , Iulian Munteanu , Antoneta Iuliana Bratcu
“Control of Power Electronic Converters and Systems”, Frede Blaabjerg

Il corso prevede lezioni frontali, integrate da esercitazioni numeriche e attività di simulazione dedicate agli argomenti trattati.
Le esercitazioni saranno svolte mediante l’impiego di ambienti software quali MATLAB/Simulink e National Instruments LabVIEW, con l’obiettivo di applicare e verificare i modelli e le metodologie di progettazione presentati durante le lezioni.
Per approfondire alcuni aspetti del comportamento dinamico e del controllo dei convertitori, saranno inoltre utilizzati sistemi hardware-in-the-loop e dimostratori sperimentali a scala ridotta.
Considerata la natura fortemente applicativa e la stretta integrazione tra lezioni, simulazioni e attività sperimentali, la frequenza del corso è vivamente consigliata.

La frequenza delle lezioni e delle attività esercitative è fortemente consigliata, considerata la natura applicativa del corso e la stretta integrazione tra contenuti teorici, simulazioni e attività sperimentali.

La valutazione finale consiste in una prova orale, durante la quale saranno discussi sia gli argomenti teorici e metodologici sviluppati nel corso delle lezioni, sia i progetti svolti durante l’anno accademico.
La prova è finalizzata ad accertare la comprensione dei principi di funzionamento dei convertitori statici di potenza, la capacità di applicare i modelli e le metodologie di progettazione presentati nel corso, nonché la capacità di analizzare criticamente e motivare le scelte progettuali adottate.
La valutazione terrà conto della correttezza e della completezza delle risposte, della padronanza del linguaggio tecnico, della capacità di collegare gli aspetti teorici alle applicazioni progettuali e dell’autonomia nell’affrontare problemi di analisi e dimensionamento.