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Conversione statica dell'energia elettrica

01RUGNC

A.A. 2020/21

2020/21

Conversione statica dell'energia elettrica

Dopo cinquant'anni di evoluzione tecnologica e applicativa, i precedenti settori allo stato dell'arte in "Elettronica di potenza" e "Convertitori PWM di motori elettrici" devono essere integrati nella più ampia materia scientifica della "Conversione Statica dell'Energia Elettrica", come richiesto dal nuovo e sempre più ampio impatto delle applicazioni sulla distribuzione in alternata. I nuovi obiettivi di efficienza e compatibilità generale sono stati guidati dalla crescita del mercato delle energie rinnovabili, fino alla Media Tensione, cosicché oggi ulteriori nuove applicazioni e risparmi energetici divengono realizzabili e competitivi, anche in alta potenza. Tale materia in continua evoluzione viene pertanto presentata per una congruente apertura mentale, fornendo un'adeguata conoscenza dello stato dell'arte, tuttavia mantenendo profondi riferimenti alle proprietà scientifiche fondamentali, per l’obiettivo di una buona capacità dei futuri ingegneri, ad essere autonomi nella valutazione comparativa dei costi, nell'analisi dell'efficienza e in una prospettiva di progettazione, per una possibilità autonoma di formazione continua, come richiesta da un settore di alta tecnologia così dinamico.

Conversione statica dell'energia elettrica

After five decades of evolution in technology and application, the earlier state-of-the-art fields of 'Power Electronics' and ‘Electrical Motor Drive PWM Converters’ have to be integrated within the larger scientific matter of 'Static Power Conversion', as requested by the new and increasingly wider impact of the smart applications on the AC mains distribution. The newest targets on efficiency and power compatibility have been driven by the growth of renewable energy market, up to the Medium Voltage range, so that nowadays further new applications and energy savings are going to become feasible and cost effective once more, also in the High-Power range. Such a continuously renewed matter is presented accordingly with the requested open-mind approach, provided by a proper state-of-the-art knowledge while holding a deep reference to the scientific fundamental properties, aiming to a good capacity of the future engineers, to be autonomous in comparative cost evaluation, efficiency analysis and perspective design, according to a continuing self-education program in such a dynamic High-Tech field.

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Consapevolezza, ovvero del perchè al di sopra del come, della ampiezza e della interdisciplinarità della materia, nonchè dei diversi mezzi scientifici disponibili, richiesti da: analisi non lineare e a tratti, modelli e analisi specifiche nelle diverse gamme di frequenza, opportunità di modelli matematici dedicati per finalità definite e valutazione della loro classe di accuratezza. Conoscenza e comprensione dell'analisi dei circuiti in commutazione (non lineari) e della cella di commutazione canonica. Conoscenza dei semiconduttori di potenza, dei relativi driver, della dinamica e dei parametri forniti nelle schede dati. Conoscenza delle proprietà circuitali e abilità all'analisi comparativa di costo e di perdita delle strutture di conversione di potenza (semiconduttori e bipoli reattivi di potenza). Comprensione dei circuiti di conversione in relazione con le proprietà degli interruttori a semiconduttore, dallo stato dell’arte dei convertitori a corrente impressa, agli inverter a due livelli a tensione impressa, fino al futuro della conversione multilivello. Conoscenza e comprensione delle proprietà generali nella analisi differenziale e di regolazione PWM di valor medio. Conoscenza e abilità di progetto delle tecniche di modulazione e controllo PWM (analogiche e digitali).

Conversione statica dell'energia elettrica

Consciousness, that is know-why over the know-how, of the wideness and interdisciplinarity of the matter, and of the different scientific means available, as requested by: non-linear and time-interval analysis, frequency-range- depending modelling and analysis, well-defined-purpose math models and their accuracy-class evaluation. Knowledge and understanding of commutating (non-linear electrical) circuits analysis and definition of the canonical switching cell. Knowledge of power semiconductor devices, their drivers, dynamics and data-sheet parameters. Knowledge of circuit properties and skills in the comparative analysis of cost and loss of power conversion structures (power reactive semiconductors and bipoles). Understanding of Static Power Conversion circuits Vs power device properties, from past State-of-the-Art CSI and 2L-VSI to future multilevel VSI. Knowledge and understanding of general properties in time-differential analysis and average PWM regulation. Knowledge and design know-how of PWM modulation and control techniques (analog and digital).

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Elettrotecnica di base e avanzata, componenti elettronici di base, concetti di sicurezza elettrica e compatibilità elettromagnetica, conoscenza di base delle trasformazioni di Fourier e di Laplace e schema a blocchi, fondamenti di dinamica e controllo dei sistemi elettrici.

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Basic and advanced electrotechnics, basic electronic components, concepts of electrical safety and electromagnetic compatibility, basic knowledge of Fourier and Laplace transforms and block-scheme, fundamentals of dynamics and control of electrical systems.

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1) Fondamenti scientifici, analitici, metodologici e tecnologici della conversione di energia elettrica, regolata per commutazione di interruttori, in particolare per composizione di celle canoniche a diodo e semiconduttori di potenza, per impulsi modulati nel tempo (PWM); modellistica fondamentale di guasto, costo e perdita per conduzione e commutazione; 25 2) Analisi comparativa, di costo perdita e dinamica, delle strutture di conversione fondamentali e derivate, e dei componenti a semiconduttore e reattivi di potenza; 20 3) Semiconduttori di potenza: struttura e proprietà fisiche, elettroniche, meccaniche, termiche ed elettriche; classificazione; caratterizzazione di BJT MOSFET e IGBT; modelli dinamici e pilotaggio per il dominio e l’ottimizzazione delle commutazioni; omogeneità Vs specializzazione; 25 4) Analisi e proprietà peculiari del controllo in anello chiuso di convertitori PWM; 20 5) Valutazione concettuale e analitica delle strutture di inverter, dagli stati dell’arte passato della conversione a tiristori e corrente impressa a quello presente degli inverter a due livelli, fino alle migliori prospettive della conversione multilivello per la Media Tensione e l’alta potenza; 10

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1) Scientific, analytical, methodological and technological fundamentals of the switched power conversion, in particular for the composition of canonical cells with diode and power semiconductors and their pulse-width modulation (PWM); fundamental models for failure, cost and power loss (conduction and switching); 25 2) Comparative analysis of loss dynamics and cost, for fundamental and composed conversion structures, that is semiconductor and reactive power devices; 20 3) Power semiconductors: structure and physical realizazions in terms of electronic, mechanical, thermal and electrical properties; classification; characterization of BJT MOSFET and IGBT; dynamic models and drivers to dominate optimal switchings; homogeneity Vs specialization; 25 4) Analysis and peculiar properties of the closed loop control of PWM converters; 20 5) Conceptual and analytical evaluation of inverter structures, from the past current-supplied thyristor conversion to the present of the two-level inverters, up to the best prospects of multilevel power conversion for Medium Voltage and high power; 10

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Conversione statica dell'energia elettrica

Il corso e le modalità di esame sono state riorganizzate per la didattica a distanza a compensazione degli effetti dell'emergenza, nella forma nota all'inizio del semestre, in accordo meditato con gli studenti, i quali in rilevante maggioranza hanno aderito alla rinnovata offerta, volontariamente e facoltativamente. La nuova modalità formativa corrisponde ad un laboratorio permanente per lo produzione, di studenti per studenti con l'assistenza permanente del docente, di materiale didattico/divulgativo della materia sviluppato da gruppi di lavoro volontari di tre o quattro studenti, ciascuno focalizzato su un tema monografico di ampio valore tecnico scientifico: 19 gruppi si sono offerti e formati, 19 distinti temi son stati loro assegnati. Il lavoro è di gruppo mentre la valutazione e il voto rimarranno individuali, sulla base di una presentazione orale del contributo personale, di durata ridotta rispetto all'orale convenzionale nello stile della presentazione di Tesi. Gli studenti che non partecipano beneficeranno liberamente del materiale prodotto dai 19 gruppi di lavoro, in quanto prodotto in forma di bozza durante il Corso e messo a disposizione come materiale del corso. Per i non aderenti a Gruppi l'esame sarà orale individuale tradizionale, così come negli anni precedenti benché a distanza. Le lezioni e le esercitazioni verranno pertanto svolte, tutte a distanza, seguendo in modo stringente le Dispense del Corso già consolidate, utilizzate da tutti i Gruppi come riferimento fondamentale. I Gruppi di lavoro estrarranno dalle lezioni e dai testi gli spunti per lo svolgimento progressivo del loro Tema monografico, con ricerche di approfondimento e simulazioni dedicate che saranno sottoposte all'attenzione del docente e di tutti i colleghi. A maggior ragione, le lezioni sono pertanto organizzate per stimolare la revisione critica e la riutilizzazione maturata delle conoscenze nelle materie propedeutiche, ovvero la capacità di autocorrelazione del sapere già acquisito, per la elaborazione di concetti ingegneristici interdisciplinari di livello tecnologico e applicativo di complessità superiore. La complessità interdisciplinare della materia è tuttavia presentata secondo una stretta organizzazione metodologica del pensiero ingegneristico, ovvero secondo priorità predefinite all'inizio del corso, di funzionalità affidabilità e competitività di costo ed efficienza dei convertitori. La partecipazione ai gruppi e la revisione critica dei lavori prodotti servono ad apprendere e mantenere una personale e solida correlazione tra le metodologie, innovative per gli studenti, e la realtà realizzativa e applicativa. La prima parte del corso, maturata attraverso la constatazione scientifica delle proprietà (ideali e non) dei semiconduttori e delle strutture di commutazione, è completata dal materiale prodotto dai gruppi, in forma di elaborati e simulazioni, che possono facilitare in ogni studente l'acquisizione individuale dell'abilità di scegliere e utilizzare gli strumenti professionali di indagine analisi e progetto. Date le condizioni al contorno, queste modalità interattive stimolano massimamente le relazioni interpersonali all'obiettivo formativo comune.

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Course and final examination options have been rearranged for the on-line teaching to mitigate the effects on the didactics of the ongoing emergency, as known at the beginning of the first academic semester. This has been jointly accomplished with the students, in great majority joining the offer freely and by own will. The new organization is conceived as a standing didactic laboratory, for the student-to-students (with the permanent assistance of the teacher) production of written and published didactic documents on the lessons and its discipline, jointly developed by working groups of three or four students, each one focused on a monographic theme having wide technological value and deep scientific meaning: 19 groups have been freely self-offered and proposed, 19 different themes have been assigned to them. The work will be developed as a group while the evaluation will remain individual one, on the basis of a final short oral personal presentation, in the style of the Thesis one. The non participating students will freely benefit the material produced by the 19 groups, being presented and discussed as course drafts/training during the lessons. For these students, the final examination will remain the conventional oral one, as in the past years while on-line. Lessons and training will be offered only on-line strictly following the Dispense del Corso already known and established, adopted also by the groups as the reference fundamental common knowledge. The working Groups will select from the lessons and the books their start off for a progressive development of their Theme, freely spreading on their specific research and simulations to be offered to the didactic community. As a further enforcement, the Lessons are accordingly organized to stimulate the revision and the re-utilization of previous courses knowledge, that is the ability to self-correlate the knowledge already acquired, for the elaboration of interdisciplinary engineering technological concepts of higher complexity level in the real applications. The interdisciplinary complexity of the subject is however presented according to a strict methodological organization of engineering , according to priorities pre-defined at the beginning of the course, of functionality reliability and competitiveness in cost and efficiency of the converters. The first part of the course, gained through the scientific assessment of the properties (ideal and non) of semiconductors and switching structures, is completed by the working Groups research and simulation results adopted also as training material, easing each student in developing his skills in choosing and adopting the fundamental professional tools for evaluation analysis and design purposes. Given the emergency, this interactive organization has been adopted to enforce at best the interpersonal communication, within the common interests in studying and deserving the final didactic examination goal.

Conversione statica dell'energia elettrica

Riferimenti: A. Fratta, "Dispense del corso di Conversione Statica dell'Energia Elettrica", Politecnico di Torino, CLUT. B. J.G.Kassakian, M.F.Schlecht, G.C.Verghese, "Principles of Power Electronics", MIT, Addison-Wesley, USA. Presentazioni, documenti e relazioni sono riportate in rete. Per ulteriori approfondimenti: N.Mohan, T.Undeland, W.P.Robbins, "Elettronica di Potenza, Convertitori e Applicazioni", Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2005. Muhammad H. Rashid, "Power Electronics, Circuits, Devices and Applications", Pearson Education,Inc.

Conversione statica dell'energia elettrica

For reference: A. Fratta, "Dispense del corso di Conversione Statica dell'Energia Elettrica", Politecnico di Torino, CLUT (in Italian). B. J.G.Kassakian, M.F.Schlecht, G.C.Verghese, "Principles of Power Electronics", MIT, Addison-Wesley, USA. Written presentations and reports of the labs are available on-line. For deeper insight: N.Mohan, T.Undeland, W.P.Robbins, "Elettronica di Potenza, Convertitori e Applicazioni", Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2005. Muhammad H. Rashid, "Power Electronics, Circuits, Devices and Applications", Pearson Education,Inc.

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Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Elaborato grafico prodotto in gruppo; Elaborato progettuale individuale;

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Il corso e le modalità di esame sono state riorganizzate per la didattica a distanza a compensazione degli effetti dell'emergenza, nella forma nota all'inizio del semestre, in accordo meditato con gli studenti, i quali in rilevante maggioranza hanno aderito alla rinnovata offerta, volontariamente e facoltativamente. La nuova modalità formativa e di esame corrisponde ad un laboratorio permanente per lo produzione, di studenti per studenti con l'assistenza permanente del docente, di materiale didattico/divulgativo della materia sviluppato da gruppi di lavoro volontari di tre o quattro studenti, ciascuno focalizzato su un tema monografico di ampio valore tecnico scientifico: 19 gruppi si sono offerti e formati, 19 distinti temi son stati loro assegnati. Il lavoro è di gruppo mentre la valutazione e il voto rimarranno individuali, sulla base di una presentazione orale del contributo personale, di durata ridotta rispetto all'orale convenzionale, nello stile della presentazione di Tesi. Per gli studenti non aderenti a Gruppi l'esame sarà orale individuale della durata massima di un'ora, così come negli anni precedenti, benché a distanza così come avviene da marzo 2020.

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Exam: Optional oral exam; Group graphic design project; Individual project;

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Course and final examination options have been rearranged for the on-line teaching to mitigate the effects on the didactics of the ongoing emergency, as known at the beginning of the first academic semester. This has been jointly accomplished with the students, in great majority freely joining the offer and by own will. The new organization is conceived as a standing didactic laboratory, for the student-to-students (with the permanent assistance of the teacher) production of written and published didactic documents on the lessons and its discipline, jointly developed by working groups of three or four students, each one focused on a monographic theme having wide technological value and deep scientific meaning: 19 groups have been freely self-offered and proposed, 19 different themes have been assigned to them. The work will be developed as a group while the evaluation will remain individual one, on the basis of a final short oral personal presentation, in the style of the Thesis one. For the students choosing not to join the a working Group, the final examination will remain the conventional one-hour-maximum long oral one, like in the past years, while on-line as ongoing from March 2020.

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Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Elaborato grafico prodotto in gruppo; Elaborato progettuale individuale;

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Il corso e le modalità di esame sono state riorganizzate per la didattica a distanza a compensazione degli effetti dell'emergenza, nella forma nota all'inizio del semestre, in accordo meditato con gli studenti, i quali in rilevante maggioranza hanno aderito alla rinnovata offerta, volontariamente e facoltativamente. La nuova modalità formativa e di esame corrisponde ad un laboratorio permanente per lo produzione, di studenti per studenti con l'assistenza permanente del docente, di materiale didattico/divulgativo della materia sviluppato da gruppi di lavoro volontari di tre o quattro studenti, ciascuno focalizzato su un tema monografico di ampio valore tecnico scientifico: 19 gruppi si sono offerti e formati, 19 distinti temi son stati loro assegnati. Il lavoro è di gruppo mentre la valutazione e il voto rimarranno individuali, sulla base di una presentazione orale del contributo personale, di durata ridotta rispetto all'orale convenzionale, nello stile della presentazione di Tesi. Per gli studenti non aderenti a Gruppi l'esame sarà orale individuale della durata massima di un'ora, così come negli anni precedenti, benché a distanza così come avviene da marzo 2020.

Conversione statica dell'energia elettrica

Exam: Optional oral exam; Group graphic design project; Individual project;

Conversione statica dell'energia elettrica

Course and final examination options have been rearranged for the on-line teaching to mitigate the effects on the didactics of the ongoing emergency, as known at the beginning of the first academic semester. This has been jointly accomplished with the students, in great majority freely joining the offer and by own will. The new organization is conceived as a standing didactic laboratory, for the student-to-students (with the permanent assistance of the teacher) production of written and published didactic documents on the lessons and its discipline, jointly developed by working groups of three or four students, each one focused on a monographic theme having wide technological value and deep scientific meaning: 19 groups have been freely self-offered and proposed, 19 different themes have been assigned to them. The work will be developed as a group while the evaluation will remain individual one, on the basis of a final short oral personal presentation, in the style of the Thesis one. For the students choosing not to join the a working Group, the final examination will remain the conventional one-hour-maximum long oral one, like in the past years, while on-line as ongoing from March 2020.

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