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PORTALE DELLA DIDATTICA

Advanced electronic drives

01PEGOQ, 01PEGQW

A.A. 2019/20

Course Language

English

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Electronic Engineering - Torino
Master of science-level of the Bologna process in Mechatronic Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 40
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 10
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Musolino Francesco Ricercatore ING-INF/01 40 20 20 0 7
Teaching assistant
Espandi

Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/01 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Il corso Advanced Electronic Drives ha come obiettivo di fornire agli studenti conoscenze relative all’uso dei circuiti elettronici di potenza nei sistemi di conversione dell’energia ad alta efficienza e, in particolare, al loro utilizzo nei sistemi di pilotaggio e controllo di attuatori elettromeccanici (motori). Nello sviluppo del corso si affronteranno principi fondamentali, tecniche di progetto e applicazioni di pilotaggio di attuatori con livelli di potenza non superiori a qualche kW, combinando la descrizione di tecnologie allo stato dell’arte con l’uso di tecniche e pratiche convenzionali. Alla fine del semestre, negli studenti del corso maturerà una competenza relativa alla conoscenza delle caratteristiche elettriche statiche e dinamiche dei moderni dispositivi elettronici di potenza, la consapevolezza del ruolo chiave assunto dai moderni circuiti elettronici di potenza negli attuali sistemi di conversione statica dell’energia, la conoscenza delle tecniche fondamentali alla base del funzionamento di tali circuiti di potenza in applicazioni per il pilotaggio di motori e la conoscenza dettagliata dei principi operativi e delle topologie dei convertitori a commutazione a due e quattro quadranti e dei circuiti inverter. Entro la fine del corso, le competenze acquisiste consentiranno agli studenti di poter selezionare i dispositivi di potenza più adatti per soddisfare diverse esigenze applicative, di scegliere e dimensionare i circuiti elettronici di pilotaggio di tali dispositivi per applicazioni ad elevata frequenza di commutazione, di analizzare e progettare circuiti di elaborazione della potenza sulla base delle specifiche elettriche dei motori, di valutare vantaggi e svantaggi delle diverse tecniche di modulazione a larghezza d’impulso sulle prestazioni di pilotaggio, di acquisire consapevolezza delle problematiche di interferenza elettromagnetica associate al funzionamento di sistemi elettronici a commutazione e di minimizzare tali interferenze sulla base di appropriati modelli analitici.
The Advanced Electronic Drives course aims to provide engineering students with a knowledge about efficient energy conversion techniques employing power electronic circuits and an understanding of how such power electronic circuits could be employed in driving electrical machines. Throughout the course, a strong emphasis is placed on fundamental principles, design techniques and drive applications for power levels up to about 1kW combining state-of-the-art technologies with conventional technologies and current practices. Students from this course will be expected to gain a good understanding of the electrical and switching characteristics of modern power electronic devices, to appreciate the use of such power devices in modern static power conversion systems, to know fundamental techniques of power conversion circuits in applications such as motor drives and to acquire a detailed understanding of the operation of the basic topology of two- and four-quadrant power converters and inverters. By the end of the semester, students will be able to apply the acquired knowledge about power semiconductor devices to select devices for a range of applications and to select and size high performance gate drive circuits for high speed switching applications, analyze and design switching power processing units to meet the electrical specifications of the motors, to evaluate pro and cons of different pulse-width modulation techniques on the driving performances, to gain awareness of the electromagnetic interference problems associated with power electronic systems and mitigating them by applying solutions based on appropriate analytical models.
Al completamento del corso, gli studenti dimostreranno la conoscenza e la comprensione dei seguenti aspetti: • vantaggi e svantaggi dell’uso dei sistemi elettronici di potenza nelle moderne applicazioni di conversione dell’energia • concetti fondamentali e principi operativi dei convertitori di potenza a commutazione reversibili e bidirezionali per applicazioni di pilotaggio di carichi elettromeccanici • il ruolo di alcune figure di merito che indirizzano il progetto e l’ottimizzazione dei convertitori di potenza per il pilotaggio di motori • strutture e topologie dei convertitori di potenza DC-DC a due e quattro quadranti (convertitori half- e full-bridge) • concetti di base sulla modulazione a larghezza di impulso (PWM) nelle topologie dei convertitori di potenza DC-DC a due e quattro quadranti • architetture dei convertitori di potenza DC-AC mono-fase e tri-fase (inverter) • sintesi di segnali alternati usando le più comuni tecniche di modulazione come: PWM sinusoidale, modulazione ad onda quadra e modulazione nello spazio dei vettori • principi operativi dei motori passo-passo (stepper) e le architetture dei loro circuiti elettronici di pilotaggio • concetti base dei motori brushless DC (BLDC) e le topologie dei loro circuiti di pilotaggio • nozioni base relative agli attuatori piezoelettrici e le configurazioni principali dei circuiti elettronici di potenza a commutazione necessari per pilotarli • caratteristiche statiche e dinamiche dei semiconduttori di potenza allo stato dell’arte come i MOSFET e gli IGBT • problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) associati con il funzionamento dei sistemi elettronici di potenza L’applicazione delle precedenti conoscenze determineranno l’acquisizione delle abilità elencate di seguito: • lettura dei fogli tecnici (data-sheet) dei dispositivi di potenza commerciali in modo da estrarre le informazioni utili per identificare i migliori dispositivi nel soddisfare determinate esigenze • individuazione delle specifiche dei circuiti di pilotaggio dei dispositivi di potenza al fine di ottenere determinate prestazioni statiche e dinamiche dei transistori pilotati • analisi delle più comuni topologie circuitali di convertitori di potenza per il pilotaggio di motori • analisi delle caratteristiche dei segnali generati all’uscita di convertitori di potenza attraverso l’uso di tecniche di modulazione convenzionali • analisi dei circuiti di conversione DC-DC e DC-AC (inverter), dei loro parametri prestazionali e abilità del bilanciare vantaggi e svantaggi delle differenti architetture circuitali • condurre esperimenti, analizzare e interpretare i risultati. Tale abilità è affinata, in particolare, durante le sessioni pratiche in laboratorio • lavoro cooperativo di gruppo attraverso lo svolgimento di mini-project e durante le sessioni di laboratorio • comunicare (in forma scritta e orale) con la comunità degli ingegneri relativamente ad argomenti di elettronica di potenza in modo efficace e appropriato
After completing the course, the student shall demonstrate knowledge and understanding of: • the advantages of power electronic systems in most of the current energy conversion applications • the concepts and operating principles of reversible and bidirectional switch-mode converters for motor driving applications • the figures of merit that drives the design and optimization of the power converters • the structures of basic two- and four-quadrant DC-DC power converters (half- and full-bridge converters) • the concept of pulse-width-modulation (PWM) in two- and four-quadrant DC-DC switch-based converters • the architectures of single-phase and three-phase DC-AC (inverters) power converters • the synthesis of alternating signals using the most common modulation techniques such as PWM, square-wave modulation, and space-vector modulation • the operating principles of stepper motors and the architectures of power electronic circuits required to drive them • the concepts of brushless DC (BLDC) motors and the topologies of their power electronic drives • the basic notions on piezoelectric actuators and the architectures of power electronic circuits required to drive them • the static and dynamic characteristics of the state-of-the-art power semiconductor devices such as MOSFETs and IGBTs • the electromagnetic compatibility (EMC) problems associated with power electronic systems In terms of general abilities or skills, the following areas will be worked upon throughout the course: • ability to read the data-sheets of commercial power devices extracting useful information to identify the best device to meet certain specifications • ability to investigate the gate drive circuit requirements for the power devices • ability to analyze the most common power converter topologies for motor driving applications • ability to analyze certain advanced topologies of power converters • ability to analyze signals generated using the most common modulation techniques • ability to investigate the performance parameters, to analyze DC-DC and inverter circuits and to balance pro and cons of the different kind of architectures • ability to conduct experiments, to analyze and interpret the results. This capability will be dealt with during the laboratory practical sessions • ability to work cooperatively in a team by means of the development of mini-projects and laboratory practical sessions • ability to communicate (in both oral and written form) with the engineering community regarding power electronic system confidently and effectively
Tutte le lezioni e il materiale fornito sono in lingua inglese: per tale ragione è requisito indispensabile la conoscenza della lingua inglese sia in forma scritta che parlata. Le nozioni di matematica per ingegneri sono sufficienti. Si assume che gli studenti del corso abbiano conoscenze di base delle tecniche analitiche e dei metodi per l’analisi e la risoluzione dei circuiti elettrici e dei circuiti elettronici sia analogici che digitali. Sono utili informazioni pregresse circa la teoria di base dei dispositivi allo stato solido e della teoria dei segnali. Potrebbe essere un vantaggio possedere la conoscenza dei principi base di elettronica di potenza.
Attendance of this module requires fluent spoken and written English as a necessary pre-requisite: all lectures and all study material will be in English. Standard mathematics for engineers is sufficient. It is assumed that students taking this course already have knowledge and understanding of the basic analytical techniques and methods to analyze electrical circuits and analog and digital electronic circuits. Basic concepts of solid state devices and of signal theory are helpful. It would be an advantage if students would have a prior basic knowledge of basic power electronic concepts.
1. Introduzione al corso (lezione 3 hrs) - definizione di azionamento elettronico - flussi di potenza bidirezionali: modalità operative di tipo motore e generatore - quadranti operativi degli azionamenti - nozioni di base su circuiti elettrici equivalenti di attuatori DC e AC 2. Dispositivi a semiconduttore di potenza (lezioni 4.5 hrs; esercitazioni 6 hrs) - diodi di potenza (PN, PIN) e diodi Schottky - MOSFET di potenza (Double Diffused MOS) - IGBT - analisi parametri descritti nei data-sheet dei dispositivi di potenza e caratteristiche dei circuiti di pilotaggio dei transistori 3. Convertitori elettronici di potenza per motori passo-passo (stepper) (lezioni 4.5 hrs; laboratorio 6 hrs) - principi operativi e classificazioni dei motori passo-passo: a riluttanza variabile, a magneti permanenti e ibridi. Caratteristiche elettriche e meccaniche. Motori passo-passo unipolari e bipolari - Circuiti elettronici di potenza per motori passo-passo: circuiti L/R, R/L e ponte asimmetrico 4. Il polo di commutazione come principale elemento costitutivo dei convertitori di potenza a commutazione forzata (lezioni 4.5 hrs) - compatibilità elettrica della commutazione forzata con carichi resistivi, induttivi e capacitivi - configurazione del polo di commutazione; funzione di commutazione unitaria - modalità operative di tipo buck e di tipo boost e principali figure di merito - modulatore a larghezza di impulso 5. Convertitori di potenza a commutazione DC-DC a due e quattro quadranti (lezioni 4.5 hrs; esercizi 1.5 hrs) - architetture e principi operativi - stato di conduzione dei transistori in funzione della direzione della corrente - modulazione PWM unipolare (o a tre livelli) e bipolare (a due livelli) - implementazione pratica: mezzo ponte (half bridge) o ponte intero (full-bridge bridge o ponte ad H) - influenza del tempo morto sulle prestazioni; calcolo del massimo ripple della corrente di uscita 6. Convertitori elettronici di potenza per attuatori piezoelettrici (lezioni 1.5 hrs, esercizi 4.5 hrs ) - principi operativi e classificazioni dei piezo-attuatori - circuiti di pilotaggio a commutazione per piezo-attuatori. 7. Convertitori elettronici di potenza per motori brushless DC (BLDC) (lezioni 6 hrs; laboratorio 3hrs ) - principi operativi e classificazioni dei motori BLDC. - circuiti di pilotaggio a commutazione per motori BLDC. 8. Convertitori di potenza DC-AC: inverter (lezioni 10.5 hrs ) - Classificazione degli inverter e parametri prestazionali - inverter mono-fase. PWM sinusoidale, sovra-modulazione e inverter ad onda quadra: topologie e caratteristiche degli spettri della tensione d’uscita - inverter a cancellazione di tensione - inverter tri-fase. PWM-sinusoidale, sovra-modulazione e ad onda quadra: topologie e caratteristiche degli spettri delle tensioni d’uscita - iniezione di terza armonica e tecnica di modulazione nello spazio dei vettori
1. Introduction to the course (lectures 3 hrs) - definition of electronic drives - bi-directionality of power flow: motor and generator operating modes - quadrant of operation of drives - basic notions and equivalent electric circuit of DC and AC actuators 2. Survey of the state of the art about power semiconductor devices (lectures 4.5 hrs; exercises 6 hrs) - power diodes (PN, PIN) and Schottky diodes - power MOSFETs (Double Diffused MOS) - IGBTs - Data-sheet parameters and gate driver characteristics 3. Power electronic converters for stepper motors (lectures 4.5 hrs; laboratory 6hrs) - Operating principle and classification of stepper motors: variable reluctance, permanent magnets and hybrid. Mechanical and electrical characteristics. Unipolar and bipolar steppers - Power electronic drives for steppers : L/R, R/L drives, asymmetrical bridge 4. The switching power pole as the main building block of any hard-switched power converters (lectures 4.5 hrs ) - resistive, inductive and capacitive loads - the switching pole configuration, the unitary switching function - buck and boost operating mode and the main figures of merit - pulse-width modulator 5. Two-quadrant and four quadrant DC-DC converters (lectures 4.5 hrs; exercises 1.5 hrs) - architecture and operating principles - state of conduction of transistors according to current direction flow - unipolar (three-level) and bipolar (two-level) PWM switching modulations - practical implementation: the half bridge and the full-bridge bridge (H-bridge) - dead time influence, output current ripple calculations 6. Power electronic converters for piezoelectric actuators (lectures 1.5 hrs, exercises 4.5 hrs ) - operating principles and classifications of piezo-actuators - Switch-mode power electronic drives for piezo-actuators. 7. Power electronic converters for brushless DC motors (BLDC) (lectures 6 hrs; laboratory 3hrs ) - operating principles and classifications of BLDC motors. - Switch-mode power electronic drives for BLDC motors. 8. DC-AC power electronic converters: inverters (lectures 10.5 hrs ) - Classification of inverters and performance parameters - Single-phase inverters. Sinusoidal-PWM, over-modulated and square-wave inverters: topologies and output spectrum characteristics - Derivation of voltage-cancellation inverters - Three-phase inverters: Sinusoidal- PWM, over-modulated and square-wave inverters: topologies and output spectrum characteristics. - Third harmonic injection and space-vector modulation techniques
Advanced Electronic Drives è un corso da 6 crediti per cui consiste di 60 ore svolte in classe generalmente suddivise in 39 ore di lezione teorica, 12 ore di esercitazione in aula e 9 ore di laboratorio sperimentale. Le lezioni sono principalmente erogate usando la lavagna, anche se disegni particolarmente complicati ed animazioni potrebbero richiedere l’uso di slide proiettate. Le esercitazioni in aula consistono nello svolgimento di esercizi numerici focalizzati sull’applicazione dei concetti teorici in modo da determinare una connessione tra le conoscenze intraprese nelle lezioni e le abilità da acquisire. Le esperienze pratiche in laboratorio consentono di verificare la teoria sulla base della verifica dei risultati sperimentali.
This is a 6 credit module then it has 60 classroom hours that are generally divided into 39 lecture hours, 12 exercitation hours and 9 laboratory hours. Lectures are mainly delivered by using the chalkboards, even though complicated drawing and some animations could be provided by projecting slides. Exercitations consists of numerical exercises that are focused on the application of theoretical concepts in order to bond knowledge with skills. Laboratory practical sessions allow to verify the theory on the basis of experimental measurements.
Il materiale usato per le lezioni teoriche, le esercitazioni e le esperienze di laboratorio è reso disponibile attraverso il portale web del corso. Gli studenti possono scaricare e stampare i file forniti prima delle lezioni in aula e usare le copie in modo da rendere più agevole prendere appunti. Il materiale fornito, che consiste nelle slide proiettate in aula e nella copia dei contenuti del corso, è fornito all’inizio del corso. Materiale aggiuntivo come articoli tecnici, data-sheet e note applicative sarà anch’esso reso disponibile agli studenti durante il corso. Alcuni libri di testo i quali coprono parti specifiche del programma del corso e altri sorgenti utili per approfondire I concetti illustrate a lezione saranno, di volta in volta, indicati durante il corso.
The learning material used in the lectures, exercitations and lab is made available through the course website. Students should either download and print the files before the lecture and use the copy to facilitate taking notes. More precisely, the reading materials consisting on the slides projected during classes and the lecture notes covering the topics described in the course will be provided at the beginning of the course. Some more materials like technical papers, data-sheets and application notes will be also delivered to the students. Reference textbooks that cover specific parts discussed during classes or other sources to deepen the understanding of some topics will be suggested during the course.
Modalità di esame: prova orale obbligatoria;
Le competenze maturate a seguito dello svolgimento del corso saranno valutate in sede di esame finale. Tale esame consiste di un orale della durata minima di 30 minuti sull’intero programma svolto nelle lezioni teoriche, nelle esercitazioni in aula e nei laboratori. L’obiettivo è verificare le competenze dello studente nella discussione di argomenti teorici e nel valutare le abilità acquisite attraverso l’analisi di circuiti e sistemi pratici. Il voto finale riflette il giudizio sul raggiungimento degli obiettivi del corso. Nelle prime settimane del corso viene presentata una lista di mini-project. Essi consistono tipicamente nel progetto e nella simulazione circuitale di specifici azionamenti elettronici. Gli studenti, su base volontaria, possono scegliere uno dei progetti della lista, o proporne di propri, in modo da avere la possibilità di ottenere dei punti addizionali a quelli ottenuti in sede di esame orale. Gli studenti che svolgono i mini-project devono terminare il loro lavoro entro la fine del semestre redigendo un rapporto scritto e presentando i risultati delle loro attività tramite una presentazione pubblica in classe.
Exam: compulsory oral exam;
The achieved learning outcomes will be assessed by a final examination. This consists of a 30 minutes oral session related to the whole program and to all the subjects discussed during classes, exercises and laboratory. The objective of the examination is to verify the competence of the students to discuss the theory and their ability to analyze practical circuits and systems. Final grade reflects achievement of course goals. A list of mini-project ideas is presented to the students in the first weeks of the course usually consisting on the simulation or design of specific electronic drives. Students can chose one of the listed topics, optionally and on a voluntary basis, in order to have the possibility to get additional marks on the final grade. Students doing the mini-projects should terminate their work by the end of the course by delivering a written report and describing the obtained results in classroom by slide presentation.


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