Anno: 4 Periodo: 2
Impegno (ore): lezioni: 85 esercitazioni e laboratori: 35 (nell'intero periodo) Docente: Antonino FRATTA
PRESENTAZIONE DEL CORSO
TI corso è il primo sulla conversione nell'ambito del Corso di Laurea. Viene impostato come corso di base sulla conversione statica, e tratta in modo approfondito le tipologie di convertitori . che impiegano transistori di potenza e la commutazione forzata controllata dal circuito di pilo-taggio. La comprensione dei fenomeni fisici fondamentali e la relativa trattazione analitica viene assiduamente correlata con la realtà tecnologica, con la finalità di fornire gli sturnenti per una oggettiva capacità professionale.
Coerentemente, l'elevato numero di ore di esercitazione viene dedicato alla familiarizzazione con componenti specifiche tecniche, programmi di simulazione e allo stato dell'arte della con-versione statica.
REQUISITI
Analisi Matematica I e Il; Elettrotecnica.
Consigliato un corso di base di Elettronica e di Controlli Automatici.
PROGRAMMA
Introduzione alla conversione a commutazione statica.[6ore}
Generalità. Configurazione della conversione. Sistemi di alimentazione e conversione regolata.
Definizioni. Qualità e Obiettivi. Tipologie delle connessioni elettriche.
Generalità sulla commutazione di circuiti elettrici. Interruttori e modalità di commutazione, naturale e forzata. Peculiarità degli interruttori a semiconduttore. Comando e pilotaggio.
Strutture di conversione fondamentaliederivate.[12ore}
Compatibilità della commutazione forzata. La cella canonica. Coefficienti di trasferimento e di dimensionamento.
Derivazione per disposizione. Convertitori diretti e indiretti. Conversione multiquadrante con singola cella.
Derivazione per composizione di celle canoniche. Ponte alimentato in tensione (VSI). Ponte duale (CSI). ConversioneDCIAC. Invertitori polifase VSI.
Deviatore di corrente polifase. Inverter trifase CSI. Conversione direttaACIAC e indiretta AC/DC/AC.
Strutture statiche fondamentali. La cella non reversibile e unidirezionale. Composizioni multi-quadrante. Deviatore polifase unidirezionale e commutazione naturale. Classificazione secondo i principali campi di applicazione.
Transistoriediodi per la commutazione.[6ore}
Caratterizzazione dei transistori di potenza. Vincoli di temperatura e caratteristiche termiche.
MOSFET, BJT's, IGBT.
Diodi di potenza. Caratteristiche statiche e tipologie. Fenomeni dinamici e modello del reverse recovery.
Dinamica delle commutazioni forzate.[laore]
Modelli dinamici circuitali (pilotaggio, transistor e circuito in commutazione).
Dinamica delle transizioni in zona attiva, di corrente e di tensione. Transizione assistita (snubber).
Analisi delle commutazioni. Sequenza completa delle fasi. Calcolo e ottirnizzazione dell'ener-gia. Ulteriori non idealità dinamiche dei transistori e dei diodi soft-recovery.
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Dimensionamento affidobile della conversione statica.[6ore]
Applicazione dei vincoli di dimensionamento. Temperatura massima. Compatibilità. Fenomeni induttivi e area di lavoro.
Affidabilità e dispersione dei parametri. Dissipazione nel periodo di modulazione.
Dimensionamento vincolato dei componenti (worst-case design). Rendimento tipico della con-versione. Dissipazione con duty-cycle periodico. Cicli termici.
Tecniche e circuiti di protezione. Protezioni termiche. Protezioni contro il sovraccarico e il corto circuito. Area di lavoro di picco (overload SOA).
Analisi di convertitori DC/DC.[6ore]
Efficienza. Coefficienti di perdita dei reattori. Valutazioni comparative. Tecniche di modulazione e dinamica di regolazione. Corrente pulsata. Inserzione del trasformatore e alimentatori isolati.
Analisi di convertitori DCIAC. [lO ore]
Inverter alimentato in tensione (VSI). Tecnichedimodulazione a onda quadra e PWM, bipolari e unipolari. Inverter trifase VSI. Tecniche di modulazione e limiti di tensione. Regolazione di corrente e modulazione diretta.
Tecnologie, componenti e circuiti per la conversione di media potenza.[4ore]
Modularità e integrazione delle strutture di potenza e di pilotaggio integrati e. Moduli di potenza "intelligenti" (SMART, IPM). ConvertitoriACIAC e reattori di filtro. Evoluzione dei componenti (GTO, MCT) e delle strutture di conversione.
Introduzione alla compatibilità di potenza ed elettromagnetica.[4ore]
Reti in continua. Sicurezza dei convertitori e qualità della rete AC (armoniche, transitori).
Convertitori di adattamento e PFC. Emissione e immunità. Finalità della normativa sulla com-patibilità.
Applicazioni sulle reti.[6ore]
Gruppi di continuità. Compensatori attivi del fattore di potenza con inverter di tensione, cor-rente e combinati. Utilizzazione di sorgenti rinnovabili di energia.
Applicazioni in azionamenti elettrici.[6ore]
Azionamenti a coppia costante e a potenza costante. Peculiarità di dimensionamento dei con-vertitori, in corrente continua e alternata. Effetti delle tecniche di modulazione.
Altre applicazioni.[4ore]
Riscaldamento a induzione. Climatizzazione e illuminazione efficiente. Sistemi ausiliari in autoveicoli. Saldatura elettrica.
BIBLIOGRAFIA
A.Fratta, Dispense del corso di"Conversione Statica dell'Energia Elettrica",Dipartimento di Ing.
Elettrica Ind., Politecnico di Torino, 1997.
H.Biihler, "Convertisseurs Statiques",Presses polytechniques et universitaires romandes, Lausanne, Suisse, 1991.
J.G.Kassakian, M.F.Schlecht, G.C.Verghese,"Principles oj Power Electronics", MIT, Addison-Wesley, USA, 1992.
N.Mohan, T.Undeland, W.P.Robbins,"Power Electronics: Converters, Applications and Design", Wiley, NewYork, USA, 1995.
W.Leonhi1rd, "Controlof Electrical Drives", Springer, Berlin, 1985.
ESAME
L'esame fuori dal semestre sarà normalmente svolto con una prova orale della durata approssi-mativa di un'ora.
L'esame potrà essere sostenuto durante il corso secondo la seguente articolazione: un primo esonero scritto a metà del corso della durata 90 minuti effettivi; un secondo esonero scritto alla fine del corso della durata 90 minuti effettivi; due relazioni scritte di approfondimento su tema-tiche relative alle esercitazioni effettivamente svolte durante il corso da consegnare secondo le modalità stabilite dal docente, con possibilità di discussione per la seconda relazione in sede di registrazione del voto finale.
P04S0
Lezioni: 4 esercitazioni e laboratori: 4 Cristina BIGNARDI
(ore settimanali)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
ilcorso ha lo scopo di fornire agli allievi una panoramica delle problematiche della biomeccani-ca e delle principali metodologie numeriche e sperimentali utilizzate in questa disciplina.
Vengono approfondite tematiche riguardanti i materiali biologici e di sostituzione. Vengono trattati argomenti riguardanti il comportamento del corpo umano in risposta alle azioni dina-miche: comfort vibrazionale, sicurezza attiva e passiva nell'ambito dell'interazione uomo-vei-colo in condizioni d'urto, e il benessere climatico all'interno dell'autoveiuomo-vei-colo.
REQUISITI
Concetti fondamentali diMeccanica applicata alle rrulcchine, Scienza delle costruzioni(a coloro che non hanno frequentato tali corsi verrà fornito materiale didattico all'inizio del corso)
PROGRAMMA
Introduzione alla biomeccanica(6ore)
- Origini e problematiche della biomeccanica - Richiami di fisiologia
Metodi sperimentali utilizzati in biomeccanica(4ore)
- Tecniche, attrezzature e metodologie di rilevazione dei dati meccanici relativi al corpo umano - Metodi per l'analisi delle tensioni e delle deformazioni in strutture biologiche
Materiali(17ore)
- Caratterizzazione di materiali biologici (osso, muscoli, cartilagine) - Biomateriali: caratteristiche, biocompatibilità, problematiche Biomeccanica delle articolazioni umane portanti (10 ore)
- Articolazione d'anca - Articolazione di ginocchio - Articolazione di caviglia
Biomeccanica della colonna vertebrale(2ore) Biomeccanica cardiocircolatoria(4ore) Risposta del corpo umano alle vibrazioni(2ore) Interazione uomo-veicolo(6ore)
Resistenza del corpo umano alle azioni dinamiche
Studio in condizioni d'urto per la valutazione del danno: modelli matematici (FEM e multi-body), manichini e loro caratteristiche
Benessere c1irrultico(2ore)
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI
Èprevista la suddivisione in squadre per la realizzazione di esercitazioni in laboratorio, relati-vamente alle quali si richiede una relazione.
- Analisi delle deformazioni mediante metodo estensimetrico (5 ore) - Analisi del rimodellamento osseo (3 ore)
- Caratteristiche meccaniche dell'osso (1 ore)
- Tecniche di analisi del segnale elettromiografico di superficie (4 ore) - Modelli segmentali apparato locomotore (2 ore)
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- Biomeccanica cardiocircolatoria (3 ore) - Biomateriali (1 ora)
- Visita ad un Centro Sicurezza Fiat (4 ore) - Visita a Gallerie Climatiche (4 ore) BIBLIOGRAFIA
Dispense fomite dal docente ESAME
Prova scritta seguita da una verifica orale. La valutazione finale tiene conto della partecipazio-ne dimostrata e della qualità delle relazioni relative alle esercitazioni svolte.
P0510
CALCOLO NUMERICOAnno: 3 Periodo: 2
Impegno (ore): lezioni: 6 esercitazioni: 2 Docente: Claudio CANUTO
laboratori: 2 (ore settimanali)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
ilcorso ha lo scopo di preparare gli allievi alla risoluzione numerica di modelli matematici di interesse ingegneristico.
ilcorso consta di due parti logicamente distinte, che possono essere svolte in maniera tempo-ralmente integrata. Nella prima parte, avente carattere istituzionale, vengono visitati i luoghi classici dell'analisi numerica di base, attraverso la descrizione e la valutazione critica degli algoritmi e delle metodologie numeriche più importanti. La seconda parte, di tipo monografico, è volta alla formulazione di qualche semplice ma significativo modello matematico, all'analisi delle sue proprietà, alla scelta di una o più tecniche di discretizzazione numerica, alla loro ana-lisi numerica e alla conseguente implementazione su calcolatore.
REQUISITI
I corsi di matematica e fisica del biennio. Capacità di programmare algoritmi di tipo matemati-co in uno dei linguaggi FORTRAN, C, PASCAL.
PROGRAMMA Parte istituzionale
Vari tipi di errore nel trattamento numerico di problemi matematici. [1 ora]
Metodi diretti per la risoluzione di un sistema lineare: sostituzione in avanti e all'indietro;
metodo di eliminazione di Gauss e fattorizzazione LV di una matrice;pivoting, scalinged effetto del condizionamento della matrice, propagazione degli errori; metodo di Choleski, cenno ad altri metodi di fattorizzazione, fattorizzazione di matrici simmetriche, a banda, sparse; calcolo dell'inversa di una matrice. [8 ore]
Metodi iterativi per la risoluzione di sistemi lineari: generalità sulla convergenza di metodi iterativi; metodi di Jacobi, Gauss-Seidel e rilassamento, esempi; metodo di Richardson, cenno ai metodimulti-grid;metodi di discesa: gradiente semplice, gradiente coniugato e generalizzazioni; cenno al problema del precondizionamento di una matrice. [9 ore]
Altri metodi per la risoluzione di sistemi lineari: matrici di riflessione di Householder, fatto-rizzazione QR di una matrice; metodo dei minimi quadrati: formulazione, equazioni norma-li, decomposizione QR del sistema. [3 ore]
Calcolo di autovalori e autovettori di matrici: metodi del tipo potenza e varianti; cennoai metodi di Jacobi e Givens; forma di Hessemberg di una matrice; metodo QR; cenno al meto-do di Lanczos; cenno alla decomposizione in valori singolari di una matrice e alla pseumeto-do- pseudo-inversa di Moore-Penrose [5 ore]
Risoluzione di equazioni e sistemi nonlineari: teoremi di punto fisso e condizioni di conver-genza, ordine di convergenza di un metodo iterativo; metodi delle corde, delle secanti, di Newton; metodi di accelerazione; metodi per il calcolo di zeri di polinomi; cenno al legame con i metodi di ottirnizzazione. [5 ore]
Approssimazione di funzioni: interpolazione di Lagrange e di Hermite mediante polinomi algebrici; stima dell'errore; fenomeno di Runge e problema della scelta dei nodi; polinomi ortogonali e loro zeri; approssimazione mediante funzionispline;cenno ad altri tipi di approssimazione (trigonometrica, razionale). [5 ore]
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- Derivazione e integrazione numerica: formule di derivazione numerica su nodi equispaziati e non; formule di Newton-Cotes; formule Gaussiane; formule composite; stime dell'errore;
scelta automatica delle formule. [4 ore]
- Equazioni differenziali ordinarie: generalità; metodi a un passo, espliciti e impliciti, esempi;
errore locale di troncamento e di discretizzazione; ordine del metodo, consistenza e conver-genza, influenza degli errori di arrotondamento; metodi di Runge-Kutta; metodi multipasso, esempi; consistenza, ordine, zero-stabilità e convergenza; metodipredictor---{;orrector;ilpro- . blema della stabilità assoluta; metodi per sistemistiff;scelta automatica del passo e dell'ordi-ne della formula. [lO ore]
- Equazioni alle derivate parziali: generalità; problemiaivalori al bordo e iniziali; problemi ellittici, parabolici, iperbolici; esempi; metodi alle differenze finite; introduzione al metodo degli elementi finiti: formulazione variazionale del problema; metodi di proiezione di Galerkin; concetto di triangolazione; elementi finiti lineari, quadratici, etc.; matrice elementa-re di rigidità e di massa; assemblaggio delle matrici globali e loro proprietà; cenno alle stime dell'errore eaimetodi adattativi; esempi. [lO ore]
Parte monografica
- TI modello matematico considerato viene tratto o dalla meccanica dei continui solidi, o dalla fluidodinamica, o dalla termodinamica. La scelta può variare di anno in anno, anche tenen-do conto di eventuali suggerimenti e interessi applicativi prevalenti tra gli studenti. [12 ore]
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI
Le esercitazioni mirano a dare allo studente le capacità di utilizzare in pratica gli algoritmi visti a lezione. Per ognuno degli argomenti svolti a lezione vengono forniti esempi, eventualmente contro-esempi, vengono illustrati nel dettaglio casi particolari o situazioni singolari.
Alcuni esercizi richiedono soltanto una elaborazione matematica da parte dello studente, altri esercizi conducono alla scrittura di brevi programmi da implementarsi su calcolatore. Per i pro-blemi più complessi, si farà uso disoftwaredi libreria; infatti, uno degli obiettivi delle esercita-zioni è quello di fornire allo studente gli strumenti di valutazione e scelta per usare al meglio i grandi pacchettisoftwareora ampliamente disponibili.
BIBLIOGRAFIA Testi di riferimento:
G. Monegato,Fondamenti di calcolo numerico,Levrotto&Bella, Torino, 1989.
V.Comincioli,Analisi numerica: metodi, modelli, applicazioni,McGraw-Hill, Milano, 1995.
Testi ausiliari:
C. Johnson, Numerical solution oJ partial differential equations bythe finite element method, Cambridge Univo Press, 1990.
ESAME
Sono possibili due modalità di esame:
1. La preparazione di due relazioni duranteilsemestre, volte alla risoluzione numerica di pro-blemi assegnati dal docente, permette di accedere a una forma più rapida di accertamento finale, consistente nella discussione dei contenuti delle due relazioni, seguita da un breve colloquio orale su altri argomenti del corso. Le relazioni possono essere svolte in gruppo, fino a un massimo di tre studenti per gruppo, mentre l'accertamento finale è sempre indivi-duale. Questa modalità di esame è valida soltanto per tutte le sessioni di esame che si tengo-no nello stesso antengo-no solare in cui lo studente ha frequentatoilcorso.
2. Chi non ha preparato le due relazioni durante il semestre di frequenza, oppure sostiene l'e-same in un anno solare successivo all'anno di frequenza, accede alla forma tradizionale di accertamento finale, consistente in un articolato colloquio orale sugli argomenti del corso.
P0890
CONVERSIONE STATICA DELL'ENERGIAAnno: 4 periodo: 2
Impegno (ore): lezioni: 85 esercitazioni: 35 Docente: Antonino FRATTA
(nell'intero periodo)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
ilcorso è il primo sulla conversione nell'ambito del Corso di Laurea. Viene impostato come corso di base sulla conversione statica, e tratta in modo approfondito le tipologie di convertitori che impiegano transistori di potenza e la commutazione forzata controllata dal circuito di pilo-taggio. La comprensione dei fenomeni fisici fondamentali e la relativa trattazione analitica viene assiduamente correlata con la realtà tecnologica, con la finalità di fornire gli stumenti per una oggettiva capacità professionale.
Coerentemente, l'elevato numero di ore di esercitazione viene dedicato alla familiarizzazione con componenti specifiche tecniche, programmi di simulazione e allo stato dell'arte della con-versione statica.
REQUISITI
Analisi Matematica I e II; Elettrotecnica.
Consigliato un corso di base diElettronicae diControlli Automatici.
PROGRAMMA
Introduzione alla conversione a commutazione statica. [6 ore]
Generalità. Configurazione della conversione. Sistemi di alimentazione e conversione regolata.
Definizioni. Qualità e Obiettivi. Tipologie delle connessioni elettriche.
Generalità sulla commutazione di circuiti elettrici. Interruttori e modalità di commutazione, naturale e forzata. Peculiarità degli interruttori a semiconduttore. Comando e pilotaggio.
Strutture di conversione fondamentali e derivate.[12 ore]
Compatibilità della commutazione forzata. La cella canonica. Coefficienti di trasferimento e di dimensionamento.
Derivazione per disposizione. Convertitori diretti e indiretti. Conversione multiquadrante con singola cella.
Derivazione per composizione di celle canoniche. Ponte alimentato in tensione (VSI). Ponte duale (CSI). ConversioneDCIAC. Invertitori polifase VSI.
Deviatore di corrente polifase. Inverter trifase CSI. Conversione direttaACIAC e indiretta AC/DC/AC.
Strutture statiche fondamentali. La cella non reversibile e unidirezionale. Composizioni multi-quadrante. Deviatore polifase unidirezionale e commutazione naturale. Classificazione secondo i principali campi di applicazione.
Transistori e diodi perlacommutazione.[6 ore]
Caratterizzazione dei transistori di potenza. Vincoli di temperatura e caratteristiche termiche.
MOSFET, BJT's, IGBT.
Diodi di potenza. Caratteristiche statiche e tipologie. Fenomeni dinamici e modello del reverse recovery.
Dinamica delle commutazioni forzate. [lO ore]
Modelli dinamici circuitali (pilotaggio, transistor e circuito in commutazione).
Dinamica delle transizioni in zona attiva, di corrente e di tensione. Transizione assistita (snubber).
Analisi delle commutazioni. Sequenza completa delle fasi. Calcolo e ottirnizzazione dell'ener-gia. Ulteriori non idealità dinamiche dei transistori e dei diodi soft-recovery.
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Dimensionamento affidabile della conversione statica.[6 ore]
Applicazione dei vincolididimensionamento. Temperatura massima. Compatibilità. Fenomeni induttivi e areadilavoro.
Affidabilità e dispersione dei parametri. Dissipazione nel periodo di modulazione.
Dimensionamento vincolato dei componenti (worst-case design). Rendimento tipico della con-versione. Dissipazione con duty-cycle periodico. Cicli termici.
Tecniche e circuiti di protezione. Protezioni termiche. Protezioni contro il sovraccarico e il corto circuito. Areadilavoro di picco (overload SOA).
Analisi di convertitori DC/DC.[6 ore]
Efficienza. Coefficientidiperdita dei reattori. Valutazioni comparative. Tecnichedimodulazione e dinamicadiregolazione. Corrente pulsata. Inserzione del trasformatore e alimentatori isolati.
Analisi di convertitori DCIAC.[lOore]
Inverter alimentato in tensione (VSI). Tecniche di modulazione a onda quadra e PWM, bipolari e unipolari. Inverter trifase VSI. Tecniche di modulazione e limiti di tensione. Regolazione di corrente e modulazione diretta.
Tecnologie, componenti ecircuitiper la conversione di media potenza.[4 ore]
Modularità e integrazione delle strutture di potenza e di pilotaggio integrati e. Moduli di potenza "intelligenti" (SMART, IPM). ConvertitoriACIAC e reattori di filtro. Evoluzione dei componenti (GTO, MCT) e delle strutture di conversione.
Introduzione alla compatibilità di potenza ed elettromagnetica.[4 ore]
Reti in continua. Sicurezza dei convertitori e qualità della rete AC (armoniche, transitori).
Convertitori di adattamento e PFC. Emissione e immunità. Finalità della normativa sulla com-patibilità.
Applicazioni sulle reti.[6 ore]
Gruppidicontinuità. Compensatori attivi del fattore di potenza con inverterditensione, cor-rente e combinati. Utilizzazione di sorgenti rinnovabilidienergia.
Applicazioniinazionamenti elettrici.[6 ore]
Azionamenti a coppia costante e a potenza costante. Peculiaritàdidimensionamento dei con-vertitori, in corrente continua e alternata. Effetti delle tecniche di modulazione.
Altre applicazioni.[4 ore]
Riscaldamento a induzione. Climatizzazione e illuminazione efficiente. Sistemi ausiliari in autoveicoli. Saldatura elettrica.
BIBLIOGRAFIA
A.Fratta, Dispense del corsodi"Conversione Statica dell'Energia Elettrica",Dipartimento diIng. Elettrica Ind., PolitecnicodiTorino, 1997.
H.Biihler,"Convertisseurs Statiques",Presses polytechniques et universitaires roman-des, Lausanne, Suisse, 1991.
J.G.Kassakian, M.F.Schlecht, G.C.Verghese,"Principles oJ Power Electronics",MIT, Addison-Wesley, USA, 1992.
N.Mohan, T.Undeland, W.P.Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications and Design",Wiley, New York, USA, 1995.
WLeonhard,"Control oJElectrical Drives",Springer, Berlin, 1985.
ESAME
L'esame fuori dal semestre sarà normalmente svolto con una prova orale della durata approssi-mativa di un'ora.
L'esame potrà essere sostenuto durante il corso secondo la seguente articolazione: un primo esonero scritto a metà del corso della durata 90 minuti effettivi; un secondo esonero scritto alla fine del corso della durata 90 minuti effettivi; due relazioni scritte di approfondimento su tema-tiche relative alle esercitazioni effettivamente svolte durante il corso da consegnare secondo le modalità stabilite dal docente, con possibilitàdidiscussione per la seconda relazione in sede di registrazione del voto finale.