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Electrical energy static conversion

01RUGNC

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Electrical Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 79
Esercitazioni in aula 12
Esercitazioni in laboratorio 9
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Fratta Antonino Professore Ordinario ING-IND/32 79 24 18 0 2
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/32 10 B - Caratterizzanti Ingegneria elettrica
2018/19
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.
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.
Consapevolezza 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).
Consciousness 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).
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.
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.
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; 20 2) Analisi comparativa, di costo perdita e dinamica, delle strutture di conversione fondamentali e derivate, e dei componenti a semiconduttore e reattivi di potenza; 25 (3 Lab + 4 EA) 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 (3 LAB + 4 EA) 4) Analisi e proprietà peculiari del controllo in anello chiuso di convertitori PWM; 15 (3 LAB) 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; 15 (6 EA)
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); 20 2) Comparative analysis of loss dynamics and cost, for fundamental and composed conversion structures, that is semiconductor and reactive power devices; 25 (3 Lab + 4 EA) 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 (3 LAB + 4 EA) 4) Analysis and peculiar properties of the closed loop control of PWM converters; 15 (3 LAB) 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; 15 (6 EA)
Lezioni organizzate per stimolare la revisione 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. Le esercitazioni e i laboratori iniziali servono a mantenere una 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 con attività di laboratorio che rendono lo studente abile all'utilizzazione degli strumenti di laboratorio necessari (oscilloscopio e trasduttori) per osservare e misurare le grandezze caratteristiche della commutazione. Le tematiche finali, abilitanti alla analisi e al controllo degli inverter, sono assistite da esercitazioni di calcolo e progetto come guida alla acquisizione dell'abilità autonoma di progettazione. Gli studenti sono incentivati a sviluppare relazioni personali su esercitazioni e laboratori, che possono presentare in sede di esame.
Lessons 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 initial exercises and laboratories are used to maintain a solid correlation between the methodologies, innovative for the students, and the reality of implementation and application. The first part of the course, gained through the scientific assessment of the properties (ideal and non) of semiconductors and switching structures, is completed with laboratory activities that make the student able to use the necessary laboratory tools (oscilloscope and transducers) to observe and measure the characteristic quantities of the switching phenomena. The final issues, providing know-how on analysis and control of the inverters, are assisted by calculation exercises and projects, as a guide to the acquisition of autonomous design skills. Students are encouraged to develop personal relationships on exercises and laboratories, which they can present for the examination.
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.
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.
Modalità di esame: prova orale obbligatoria;
Esame finale orale della durata di un'ora. Solo per la prima sessione dopo il corso, gli studenti possono scegliere di presentare oralmente i loro contributi a relazioni di laboratorio scritte.
Exam: compulsory oral exam;
One-hour long oral final examination. Just for the first session after the course, students can choose to orally present their contributions to written lab reports.


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