DIE - Dipartimento di Ingegneria dell`Energia elettrica e dell

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Alma Mater Studiorum
Università di Bologna
DIE
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
1996-2006
Report sull’organizzazione e sulle attività del Dipartimento
INDICE DEI CONTENUTI
PREMESSA.........................................................................................................................1
1. INTRODUZIONE .............................................................................................................3
1.1 Considerazioni generali .............................................................................................3
1.2 Organizzazione interna..............................................................................................5
2. CENNI STORICI ..............................................................................................................7
3. PERSONALE ..................................................................................................................9
3.1 Personale docente.....................................................................................................9
3.2 Personale non docente............................................................................................10
3.3 Altro personale ........................................................................................................11
3.4 Schede personali dei docenti...................................................................................12
4. BIBLIOTECA.................................................................................................................41
4.1 Personale ................................................................................................................41
4.2 Servizi......................................................................................................................41
4.3 Riviste disponibili .....................................................................................................42
5. DIDATTICA ...................................................................................................................45
5.1 Corsi di Laurea e Laurea Specialistica ....................................................................46
5.2 Laboratorio didattico ................................................................................................48
5.3 Master Universitari...................................................................................................49
5.4 Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica.....................................................50
6. RICERCA ......................................................................................................................55
6.1 ING-IND/31 ♦ Elettrotecnica ...................................................................................56
6.2 ING-IND/32 ♦ Convertitori, macchine ed azionamenti elettrici ................................96
6.3 ING-IND/33 ♦ Sistemi elettrici per l’energia .......................................................... 124
6.4 ING-INF/07 ♦ Misure elettriche ed elettroniche ..................................................... 152
7. LABORATORI .............................................................................................................175
7.1 Compatibilità elettromagnetica ..............................................................LACEM – 176
7.2 Diagnostica di macchine elettriche ...................................................... LabDME – 178
7.3 Ingegneria dei materiali ed alte tensioni ................................................. LIMAT – 180
7.4 Ingegneria dei sistemi elettrici di potenza ................................................LISEP – 182
7.5 Ingegneria magnetofluidodinamica e plasmi..............................................LIMP – 184
7.6 Ingegneria magnetofluidodinamica & superconduttività applicata ........LIM&SA – 186
7.7 Macchine ed azionamenti elettrici..........................................................LEMAD – 188
7.8 Misure elettriche ed elettroniche......................................................GMEE LAB – 190
Dipartimento di Ingegneria Elettrica – DIE
Premessa
PREMESSA
Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) si è costituito il 1° gennaio del 1996 con la
fusione degli Istituti di Elettrotecnica ed Elettrotecnica Industriale. Nella ricorrenza del decimo anniversario della sua costituzione, il DIE ha intrapreso una serie di iniziative di divulgazione scientifica, tra cui l’edizione di questo volume che ha lo scopo di presentare le
attività che si svolgono presso il Dipartimento, con particolare riferimento alla didattica ed
alla ricerca scientifica.
Le attività di ricerca che si svolgono presso il DIE coprono un ampio spettro ed hanno
spesso carattere interdisciplinare. Accanto ai tradizionali settori dell’elettrotecnica, delle
macchine e degli azionamenti elettrici, degli impianti elettrici, delle tecnologie elettriche e
delle misure elettriche ed elettroniche, si sono sviluppate negli ultimi anni competenze
nuove che hanno portato evoluzione ed innovazione, interessando settori più ampi quali
l’energetica, l’automazione industriale, i trasporti e l’ambiente.
La qualità della ricerca è stata recentemente valutata dalla “peer-review”, le cui conclusioni
sono state un “apprezzamento molto positivo del Dipartimento”. Seguendo l’orientamento
di internazionalizzazione dell’Ateneo, in questi ultimi anni i ricercatori del DIE si sono impegnati in molteplici attività, partecipando a progetti di ricerca europei, collaborando alla costituzione di laboratori internazionali, promuovendo iniziative didattiche e master europei,
aderendo ad organismi internazionali e favorendo gli scambi con studenti stranieri.
Sono particolarmente lieto di presentare questo volume che consente di evidenziare le
grandi potenzialità del Dipartimento nello svolgere sia ricerca di base, sia ricerca applicata,
caratteristiche queste che favoriscono lo sviluppo di collaborazioni scientifiche molto
attese in ambito industriale.
Infine, vorrei rivolgere un apprezzamento per la collaborazione dimostrata da tutti i colleghi
del Dipartimento ed un ringraziamento particolare al prof. Gabriele Grandi che ha profuso
molte energie nel curare l’edizione di questo volume.
Bologna, marzo 2006
il Direttore
1
2
1. Introduzione
1. INTRODUZIONE
1.1 CONSIDERAZIONI GENERALI
Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) ha sede presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna e vanta una lunga tradizione che risale alla fondazione della Facoltà stessa nel 1935. Nel Cap. 2 di questo volume si possono trovare riferimenti dettagliati
circa le origini e la storia del Dipartimento e degli Istituti che lo hanno costituito.
Il Dipartimento è attualmente composto da un organico di 42 persone, di cui 30 docenti e
12 tecnici-amministrativi, distribuiti tra i vari ruoli come indicato dai seguenti diagrammi a
torta. Nel Cap. 3 è riportato l’elenco nominativo del personale, con riferimenti e mansioni.
Per ciascun docente è inoltre data una scheda sintetica con il profilo didattico e scientifico.
ricercatori
bibliotecari
ordinari
6
10
1
serv. generali
2
5
tecnici
14
non docenti
12
associati
docenti
4
amministrativi
30
DIE
assegnisti
10
21
altri
11
dottorandi
Dall’esame degli istogrammi riportati nel seguito, si nota come l’organico di Dipartimento
abbia subito significative variazioni nel corso dell’ultimo decennio, a testimonianza delle alterne vicende che caratterizzano l’ambito universitario.
40
35
30
25
Docenti
20
Non docenti
15
10
5
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
Fonti: Ddata Warehouse ed Annuario di Ateneo (situazione al 1° gennaio)
3
2003
2004
2005
2006
1. Introduzione
20
18
16
14
12
Ordinari
10
Associati
Ricercatori
8
6
4
2
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
Fonti: Ddata Warehouse ed Annuario d'Ateneo (situazione al 1° gennaio)
E’ importante osservare che il DIE rappresenta l’unica struttura universitaria delle regioni
Emilia Romagna e Marche che si occupa specificatamente di tematiche didattiche e scientifiche connesse con l’energia elettrica e le sue applicazioni.
Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica contribuisce alla didattica in corsi di Laurea, Laurea
specialistica, Master e Dottorato di Ricerca, secondo quanto riportato nel Cap. 5. Si segnala la presenza di un laboratorio didattico di recente attivazione che ospita le esercitazioni di diversi insegnamenti.
Le attività didattiche e di ricerca che si svolgono presso il DIE appartengono ai seguenti
Settori Scientifico Disciplinari (SSD):
ING-IND/31 ♦ Elettrotecnica
ING-IND/32 ♦ Convertitori, macchine ed azionamenti elettrici
ING-IND/33 ♦ Sistemi elettrici per l’energia
ING-INF/07 ♦ Misure elettriche ed elettroniche
Per ciascuno di questi settori, nel Cap. 6 sono raccolti gli specifici argomenti di ricerca, con
la descrizione delle attività e l’indicazione dei nominativi di riferimento. L’attività di ricerca è
ricca, di qualità e ben inserita a livello internazionale, come è stato recentemente riconosciuto dalla “peer-review”. Il seguente istogramma mostra l’evoluzione dei prodotti della
ricerca, in termini di numero delle pubblicazioni scientifiche, nel periodo successivo alla
costituzione del Dipartimento. La produzione scientifica assume particolare rilievo se rapportata al numero di docenti afferenti al Dipartimento.
180
160
140
120
pubblicazioni
scientifiche
100
80
60
40
20
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Fonti: Osservatorio della ricerca (1996-2003) ed Anagrafe della Ricerca (2004-2005)
4
2005
2006
1. Introduzione
L’attività di ricerca del DIE ha una spiccata connotazione sperimentale, testimoniata dalla
presenza degli otto laboratori scientifici dettagliatamente descritti nel Cap. 7. Nell’ambito di
questi laboratori si sviluppano anche attività di studio e trasferimento tecnologico in collaborazione con l’industria, il che rappresenta anche un importante contributo al finanziamento del Dipartimento. La rimanente parte del budget deriva da progetti di ricerca finanziati dall’Università di Bologna, dal MIUR, da Enti Nazionali e dalla Comunità Europea, secondo le percentuali riportate nel seguente diagramma a torta.
Contributi
studenteschi
13%
Fondi ex 40%
25%
Dotazione di
funzionamento
16%
Fondi ex 60%
13%
Finanziamenti UE
e Regione ER
6%
Assegni di ricerca
9%
Contratti e
convenzioni
18%
Fonte: Segreteria Amministrativa del DIE (anno 2005)
Il carattere sperimentale dell’attività di ricerca del DIE ha creato le condizioni per la nascita
e lo sviluppo dello spin-off accademico TECHIMP. Il Dipartimento ha svolto dal 1999 al
2005 il ruolo di "incubatore" per questo spin-off, polo tecnologico per il collegamento fra la
ricerca universitaria e l'industria. Il fatturato di TECHIMP ha raggiunto nel 2004 la cifra di
circa 2 milioni di euro, a testimonianza del successo di questa iniziativa. TECHIMP svolge
anche il ruolo di organo consulente del nostro Ateneo nel settore dell'energia.
1.2 ORGANIZZAZIONE INTERNA
L’organizzazione interna del Dipartimento è attualmente la seguente:
Direttore: Prof. Domenico Casadei
Vice Direttore: Prof. Ugo Reggiani
Segretario Amministrativo: Dott. Michele Buratin
Giunta di Dipartimento:
Direttore (che presiede):
D. Casadei
Segretario amministrativo (che funge da segretario): M. Buratin
Rappresentanze: professori ordinari:
F. Negrini, G.C. Montanari
professori associati:
A. Borghetti, G. Pasini
ricercatori:
C. Rossi, L. Sandrolini
personale tecnico-amministrativo: F. Palmieri
5
1. Introduzione
Redazione web:
Prof. G. Grandi - Responsabile, editore e coordinatore del Gruppo;
Ing. C. Rossi - co-editore, area Macchine ed azionamenti elettrici, laboratori;
Ing. D. Fabiani - area Sistemi elettrici per l'energia, referente tecnico per il sito web;
Ing. M. Breschi - area Elettrotecnica e per la Didattica;
Ing. R. Tinarelli - area Misure elettriche ed elettroniche;
Dott. V. Sacco - referente per il settore Amministrazione ed il Personale;
Sig.ra S. Verri - referente per la Biblioteca e per la sezione Avvisi ed Eventi della Bacheca.
Responsabili della sicurezza dei locali (compresi i laboratori):
Parte dell’area 1° piano DIE:
Dott. Vincenzo Sacco
Laboratorio di Macchine ed Azionamenti Elettrici:
Ing. Claudio Rossi
Laboratorio di Alte Tensioni:
Prof. Gian Carlo Montanari
Laboratorio di Elettrotecnica e Misure Elettriche:
Ing. Andrea Albertini
Laboratorio di Superconduttività Applicata:
Prof. Pier Luigi Ribani
Laboratorio Didattico:
Ing. Marco Landini
Officina Meccanica:
Sig. Vincenzo Pignatiello
6
2. Cenni storici
2. CENNI STORICI
In queste due pagine, redatte a cura del Prof. Ugo Reggiani, si ripercorrono a grandi linee
le tappe che hanno portato alla nascita del Dipartimento di Ingegneria Elettrica, dall’istituzione di una scuola per ingegneri presso l’Università di Bologna fino ai giorni nostri.
Nell’anno accademico 1877/78 fu istituita a Bologna la “Scuola d’Applicazione per gli Ingegneri”, con due sezioni: una per ingegneri civili e l’altra per architetti (quest’ultima disattivata intorno al 1898). La nuova Istituzione, che aveva sede nell’ex-convento di San Giovanni dei Celestini, attuava i dettami del decreto del 1876, che stabiliva lo schema di un
biennio di studi propedeutici presso la Facoltà di Scienze e di un triennio di studi applicativi. La Scuola di Bologna nacque per iniziativa di un Consorzio, costituito da Comune,
Provincia ed alcune aziende e collegi, e da esso fu finanziata fino al 1899 quando passò a
totale carico dello Stato.
Nella Scuola solo dall’anno accademico 1899/1900 fu attivato un insegnamento di Elettrotecnica, che fino al 1915 rimase insegnamento complementare. Il primo Maestro che
occupò la cattedra di Elettrotecnica, da cui trarrà origine l’Istituto di Elettrotecnica e quindi
il Dipartimento di Ingegneria Elettrica, fu Luigi Donati, che già teneva, come professore di
ruolo, l’insegnamento di Fisica tecnica sin dall’anno di fondazione della Scuola, di cui fu
anche Direttore dal 1918 al 1923. Alla cattedra di Elettrotecnica era annesso il Gabinetto
Scientifico di Elettrotecnica.
La “Riforma Gentile” del 1923 sostituì la laurea, titolo di valore esclusivamente accademico, al diploma precedentemente conferito dalla Scuola per Ingegneri, che consentiva
l’esercizio della professione di ingegnere. L’abilitazione all’esercizio della professione doveva ora essere conseguita, dopo la laurea, mediante apposito esame di Stato in sede
universitaria diversa da quella in cui era stata ottenuta la laurea.
Nel 1935 la Scuola divenne Facoltà di Ingegneria e si trasferì dalla vecchia sede di piazza
dei Celestini alla nuova sede di Viale del Risorgimento, architettonicamente monumentale.
Il nuovo ordinamento degli studi in ingegneria, entrato in vigore proprio in quell’anno, prevedeva due sezioni: civile e industriale, quest’ultima divisa nelle due sottosezioni meccanica ed elettrotecnica.
L’Istituto di Elettrotecnica, che comprendeva la cattedra di Elettrotecnica e corsi caratterizzanti per la sottosezione elettrotecnica, quali Misure elettriche, Impianti industriali elettrici e
Costruzione di macchine elettriche, tenuti per incarico, era diretto dal prof. Giuseppe Sartori, che era succeduto nel 1923 al prof. Donati nella cattedra di Elettrotecnica e che fu dal
1932 Direttore della Scuola per Ingegneri e dal 1935 primo Preside della Facoltà. Al prof.
Sartori si deve un notevole potenziamento ed ammodernamento del Laboratorio di Elettrotecnica. Egli scomparve nel 1937 e la Facoltà chiamò a coprire la cattedra e conseguentemente ad assumere la direzione dell’Istituto il prof. Giovanni Someda, proveniente
dall’Università di Padova dove ritornò dopo due anni. Gli succedette nel 1940 il prof. Vittorio Gori il quale, già incaricato di Comunicazioni elettriche, mutò il nome dell’Istituto in Istituto di Elettrotecnica e delle Comunicazioni elettriche “G. Marconi”.
Durante la seconda guerra mondiale l’attività accademica proseguì normalmente sino alla
fine del 1943, dopodiché la Facoltà fu interamente requisita da forze militari tedesche di
occupazione. L’attività didattica proseguì parzialmente nella sede centrale dell’Università e
negli Istituti limitrofi. In particolare, l’Istituto di Elettrotecnica fu ospitato nell’Istituto di Antropologia.
7
2. Cenni storici
Il ritorno nella sede propria avvenne nel 1947, dopo lavori di ripristino del fabbricato. Nel
1951 il prof. Gori si trasferì a Roma alla Direzione dell’Istituto Superiore delle Poste e delle
Telecomunicazioni e la direzione dell’Istituto fu assunta dal prof. Stefano Basile.
Gli anni intorno alla metà del secolo XX segnarono l’inizio di un tumultuoso sviluppo tecnico e scientifico delle discipline elettriche/elettroniche. Giovani docenti dell’Istituto acquisirono negli anni successivi una completa maturità culturale e scientifica nelle nuove discipline, risultando vincitori di concorsi a cattedra. Fu così che dall’Istituto di Elettrotecnica, ritornato al suo nome originale, si formò l’Istituto di Elettronica, fondato nel 1965 dal prof.
Ercole De Castro, che insieme all’Istituto di Automatica (costituito nel 1969 sotto la
direzione del prof. Enzo Belardinelli, già assistente di Elettrotecnica) darà origine nel 1983
al Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica (DEIS). Contestualmente gli
aspetti più prettamente applicativi della cultura tecnico-scientifica elettrica acquistarono
piena dignità accademica di discipline autonome dalla disciplina madre Elettrotecnica e, di
conseguenza, a cattedre di Elettrotecnica si affiancarono cattedre di Misure elettriche, Impianti elettrici, Macchine elettriche e Tecnologie elettriche, coperte da docenti dell’Istituto,
risultati nel frattempo vincitori di concorsi.
La riforma degli studi in ingegneria del 1960 sopprimeva le sezioni e le sottosezioni ed aggiungeva ai corsi di laurea in atto i corsi di laurea in ingegneria elettronica ed in ingegneria
nucleare. A seguito di tale riforma, il corso di laurea in ingegneria – sezione industriale –
sottosezione elettrotecnica diventava corso di laurea in ingegneria elettrotecnica (cambierà la denominazione in corso di laurea in ingegneria elettrica dall’anno accademico
1990/1991), i cui insegnamenti caratterizzanti afferivano all’Istituto di Elettrotecnica.
Nel 1971 l'Istituto di Elettrotecnica si divise in due e nacque l’Istituto di Elettrotecnica Industriale, diretto dal prof. Vittorio Mòdoni fino alla morte avvenuta nel 1976 e poi dal prof.
Dino Zanobetti fino al 1989.
Dopo l'andata fuori ruolo del prof. Basile nel 1974 gli successe il prof. Filippo Ciampolini
fino al 1986, quindi il prof. Benito Brunelli fino al 1989 ed infine il prof. Ugo Reggiani. Nel
frattempo al prof. Zanobetti era subentrato nella direzione dell’Istituto di Elettrotecnica Industriale il prof. Luciano Simoni e dal 1992 il prof. Mario Rinaldi.
Il 1° gennaio 1996 i due Istituti tornarono ad unirsi dando origine al Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) sotto la direzione del prof. Ugo Reggiani.
Alla direzione del Dipartimento è succeduto nel 2001 il prof. Luciano Simoni e nel 2004 il
prof. Domenico Casadei, attualmente in carica.
8
3. Personale
3. PERSONALE
Al Dipartimento di Ingegneria Elettrica afferiscono attualmente 30 docenti di 4 settori
scientifico disciplinari, di cui 10 Professori Ordinari, 14 Professori Associati e 6 Ricercatori.
Il personale non docente è composto da 12 elementi, di cui 5 Tecnici, 4 Amministrativi, 2
dei Servizi Generali ed 1 Bibliotecaria. Se pur non facenti parte del personale strutturato, è
da sottolineare il prezioso apporto alle attività del Dipartimento di Dottorandi ed Assegnisti.
3.1 PERSONALE DOCENTE
Professori Ordinari e Straordinari
COGNOME
Borghi
Casadei
Ghigi
Filippetti
Montanari
Negrini
Nucci
Reggiani
Rinaldi
Serra
NOME
Carlo Angelo
Domenico
Paolo Raffaele
Fiorenzo
Gian Carlo
Francesco
Carlo Alberto
Ugo
Mario
Giovanni
TELEFONO
05120 93566
05120 93567
05120 93570
05120 93577
05120 93481
05120 93575
05120 93479
05120 93580
05120 93480
05120 93582
E-MAIL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
SSD
ING-IND/31
ING-IND/32
ING-IND/31
ING-IND/32
ING-IND/33
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-IND/31
ING-INF/07
ING-IND/32
NOME
Alberto
Alberto
Andrea
Andrea
Massimo
Gabriele
Franco
Giovanni
Gaetano
Gianni
Lorenzo
Pier Luigi
Raffaello
Angelo
TELEFONO
05120 93475
05120 93475
05120 93569
05120 93568
05120 93581
05120 93571
05120 93583
05120 93487
05120 93473
05120 93475
05120 93483
05120 93574
05120 93563
05120 93565
E-MAIL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
SSD
ING-IND/33
ING-INF/07
ING-IND/33
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-INF/07
ING-IND/33
ING-INF/07
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/32
NOME
Marco
Davide
Mario
Claudio
Leonardo
Luca
TELEFONO
05120 93584
05120 93487
05120 93488
05120 93564
05120 93484
05120 93572
E-MAIL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
SSD
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-IND/33
ING-IND/32
ING-IND/31
ING-IND/32
Professori Associati
COGNOME
Borghetti
Burchiani
Cavallini
Cristofolini
Fabbri
Grandi
Mastri
Mazzanti
Pasini
Pattini
Peretto
Ribani
Sacchetti
Tani
Ricercatori
COGNOME
Breschi
Fabiani
Paolone
Rossi
Sandrolini
Zarri
9
3. Personale
Professori a Contratto
Sasdelli Renato 05120 93482 [email protected] Misure per la Sicurezza L
Simoni Luciano 05120 93478 [email protected] Mod. e ing.dei materiali elettrici LS
Professori Emeriti
Brunelli
Ciampolini
Simoni
Zanobetti
Benito
Filippo
Luciano
Dino
Già Ordinario di Macchine Elettriche
Già Ordinario di Elettrotecnica
Già Ordinario di Tecnologie Elettriche
Già Ordinario di Impianti Elettrici
3.2 PERSONALE NON DOCENTE
COGNOME NOME
TELEFONO
E-MAIL
Albertini
Andrea
05120 93489
[email protected]
Buratin
Michele
05120 93592
[email protected]
Gervasi
Vincenzo 05120 93489
[email protected]
Landini
Marco
[email protected]
Lepre
Domenica 05120 93471
05120 93578
[email protected]
Macagnino Anna
05120 93561
[email protected]
Palmieri
Fabrizio
05120 93489
[email protected]
Pignatiello
[email protected]
Pistillo
Maria
Antonietta
[email protected]
Sacco
[email protected]
Verri
Silvia
05120 93591
[email protected]
Zuffi
Manuela
05120 93594
[email protected]
05120 93595
10
QUALIFICA
Cat. D. - Area
Tecnica
Cat. D - Area
Amministrativa
Cat. D - Area
Tecnica
Cat. D - Area
Tecnica
Cat. B - Area
Serv. Generali
Cat. B - Area
Serv. Generali
Cat. D - Area
Tecnica
Cat. D - Area
Tecnica
Cat. C - Area
Amministrativa
Cat. C - Area
Amministrativa
Cat. C - Area
Biblioteche
Cat. C - Area
Amministrativa
3. Personale
3.3 ALTRO PERSONALE
Assegnisti & Borsisti
COGNOME
NOME
Carraro
Ciani
Delpino
Fantini
Giuliattini
Burbui
Morandi
Stefani
Mario Roberto 05120 93584
Fabio
Saverio
Giulio
Gian Lorenzo
TELEFONO
05120 93489
05120 93471
05120 93595
05120 93485
Antonio
Andrea
05120 93581
05120 93585
Subramaniam Chandrasekar 05120 93489
05120 93488
Tinarelli
Roberto
05120 93587
Trevisani
Luca
E-MAIL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
BORSA
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR
TAR - Titolare assegno di ricerca
BPD - Borsista post dottorato
Dottorandi (cicli in corso)
COGNOME
NOME
Bosetti
Civenni
Dolente
Lega
Mariani
Milanesi
Napolitano
Neretti
Passarelli
Pivello
Scala
Mauro
Fausto
Andrea
Alberto
Giacomo
Filippo
Fabio
Gabriele
Gaetano
Elisa
Elisa
TELEFONO
05120 93738
05120 93489
05120 93589
05120 93572
05120 93587
05120 93585
05120 93738
05120 93589
05120 93489
05120 93485
05120 93488
E-MAIL
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
11
CICLO
XXI
XX
XIX
XIX
XXI
XXI
XX
XXI
XX
XXI
XX
3. Personale
3.4 SCHEDE PERSONALI DEI DOCENTI
Sono riportate nel seguito le schede personali dei docenti che attualmente afferiscono al
Dipartimento di Ingegneria Elettrica, una per pagina, in ordine alfabetico. In tali schede sono forntiti i dati essenziali e vengono sinteticamente descritte le principali attività accademiche di professori e ricercatori. Ecco l’elenco alfabetico dei docenti che hanno reso disponibile la propria scheda con l’indicazione della corrispondente pagina:
COGNOME
NOME
QUALIFICA pag.
Borghetti
Borghi
Breschi
Burchiani
Casadei
Cavallini
Cristofolini
Fabbri
Fabiani
Filippetti
Grandi
Mastri
Mazzanti
Montanari
Negrini
Nucci
Paolone
Pasini
Pattini
Peretto
Reggiani
Ribani
Rinaldi
Rossi
Sandrolini
Serra
Tani
Zarri
Alberto
Carlo Angelo
Marco
Alberto
Domenico
Andrea
Andrea
Massimo
Davide
Fiorenzo
Gabriele
Franco
Giovanni
Gian Carlo
Francesco
Carlo Alberto
Mario
Gaetano
Gianni
Lorenzo
Ugo
Pier Luigi
Mario
Claudio
Leonardo
Giovanni
Angelo
Luca
Prof. Ass.
Prof. Ord.
Ricercatore
Prof. Ass.
Prof. Ord.
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Ricercatore
Prof. Ord.
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Prof. Ord.
Prof. Ord.
Prof. Ord.
Ricercatore
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Prof. Ass.
Prof. Ord.
Prof. Ass.
Prof. Ord.
Ricercatore
Ricercatore
Prof. Ord.
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3. Personale
Alberto Borghetti
Professore Associato, ING-IND/33
Contatti:
Tel: +39-051-20-93475, Fax: +39-051-20-93470
e-mail: [email protected]
sito web: www.lisep.ing.unibo.it
Notizie biografiche: Laureato con lode in Ingegneria elettrotecnica nel giugno 1992 presso l’Università di Bologna, dapprima ricercatore e poi professore associato della stessa
Università.
Attività didattica: Tiene l’insegnamento di Produzione dell'energia elettrica (per corsi di
laurea triennale) e l’insegnamento di Centrali elettriche (per corsi di laurea specialistica).
Svolge attività didattica per i corsi post laurea organizzati dall’associazione europea EESUETP. E’ istruttore nell’ambito del tutorial ‘EMC Aspects of Lightning’ del Intern. Zürich
Symposium on EMC, Singapore, 2006. E’ stato “opponent” nella dissertazione di una tesi
di dottorato presso l’Ångström Laboratory dell’Università di Uppsala.
Attività di ricerca: L'attività scientifica, tutta svolta all’interno del Laboratorio d’ingegneria
dei sistemi elettrici di potenza (LISEP), ha riguardato principalmente i seguenti temi: analisi del comportamento dinamico degli impianti di produzione e dei sistemi elettrici di potenza, con particolare riferimento alla analisi delle condizioni di instabilità della tensione e
alle procedure di ripristino del servizio dopo un blackout; sviluppo di algoritmi per il supporto alle decisioni dei produttori di energia elettrica in un mercato elettrico competitivo;
calcolo delle sovratensioni indotte da scariche atmosferiche indirette su reti di distribuzione
per il dimensionamento e il coordinamento delle protezioni ed il miglioramento della qualità
del servizio; analisi delle reti di distribuzione in presenza di generazione distribuita, anche
da fonte rinnovabile.
E’ autore o coautore di più di 70 lavori su varie riviste e sugli atti di conferenze nazionali ed
internazionali e, con Gross e Nucci, del capitolo “Auctions with explicit demand-side
bidding in competitive electricity markets” del libro “The next generation of unit commitment models” a cura di Hobbs, Rothkopf, O'Neill e Chao (Kluwer, 2001). La pubblicazione
di Borghetti, Migliavacca, Nucci, Spelta, “The black-startup simulation of a repowered
thermoelectric unit”, ha ricevuto l’attestato di migliore contributo presentato al IFAC
Symposium on Control of Power Plants and Power Systems, Bruxelles, 2000.
Responsabile scientifico di due progetti di ricerca in collaborazione con il D.I.E. ed il CESI
su temi riguardanti la generazione distribuita. Responsabile locale di un progetto PRIN
2005 sulla vulnerabilità del sistema elettrico.
Senior member dell’IEEE PES, partecipa ai lavori dell WG on Distributed resources e WG
on Lightning performance of distribution lines. E’ membro del joint CIGRE-CIRED WG
“Protection of MV and LV networks against lightning” e del CIGRE WG C4.6.01 on Power
System Security Assessment. E’ membro del Management Committee dell’European
COST Action P18 'The Physics of Lightning Flash and its Effects'.
Altre attività: membro del comitato organizzatore e co-editore degli atti della Conferenza
Internazionale ‘2003 IEEE Bologna PowerTech’, 23-26 giugno 2003. Invited speaker su
“Restoration after blackouts” al terzo Intern. Symposium on Power Quality (SICEL), Bogotà, Colombia, 16-18 Nov. 2005.
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3. Personale
Carlo Angelo Borghi
Professore Ordinario, ING-IND/31
Contatti:
Tel: +39-051-20-93566, Fax: +39-051-20-93588
Notizie biografiche: Nato a Massa Lombarda il 17 marzo 1951. Si è laureato in Ingegneria Nucleare presso l’Università di Bologna nel marzo 1976 ed ha conseguito il Dottorato di
Ricerca nelle Scienze Tecniche presso l’Università Tecnologica di Eindhoven (Paesi
Bassi) nel giugno 1982. Dal febbraio 1983 ha prestato servizio in qualità di ricercatore universitario presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bologna e dal 1987
presta servizio presso la suddetta Facoltà, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, in qualità
di professore di ruolo di seconda fascia prima ed in seguito di prima fascia, per il gruppo
disciplinare di Elettrotecnica.
Attività didattica: Nel 1987 il prof. Borghi riceve l’incarico dell’insegnamento Elementi di
Fisica e di Ingegneria dei Plasmi per i Corsi di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica ed Ingegneria Nucleare, insegnamento che, con il titolo di Ingegneria dei Plasmi, ricopre tuttora.
Oltre a questo, ha tenuto innumerevoli altri insegnamenti in Corsi di Laurea dell’Ingegneria
Industriale e dell’Informazione. Oltre all’Ingegneria dei Plasmi ed alla Magnetofluidodinamica Applicata tali insegnamenti riguardano l’Elettrotecnica di base e lo studio dei Campi
Elettrici e Magnetici. È membro del Collegio dei Docenti del Corso di Dottorato di Ricerca
in Ingegneria Elettrotecnica. Attualmente è anche membro della Commissione Didattica
della Facoltà di Ingegneria di Bologna.
Attività di ricerca: Le sue attività di ricerca riguardano l’Ingegneria dei Plasmi, la Magnetofluidodinamica Applicata e la Teoria e l’Applicazione di Campi Elettrici e Magnetici. Il
prof. Borghi si è dedicato ad attività sperimentali (diagnostica e rilievi sperimentali), a studi
metodologici, teorici e di modellistica, e ad attività computazionale (soluzione numerica di
problemi diretti ed inversi di tipo magnetofluidodinamico ed elettromagnetico). I risultati
degli studi citati sono riportati in più di centocinquanta pubblicazioni. È coordinatore del
Gruppo di Ricerca di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi e responsabile dell’omonimo laboratorio (LIMP- Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica) del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. È stato ed è tuttora coinvolto in numerosi progetti di ricerca in ambito locale, nazionale ed internazionale, finanziati da CNR,
MIUR, ENEA, ASI, ESA ed altri, come responsabile dell’unità di Bologna o come coordinatore di progetti in collaborazione fra diverse unità di ricerca italiane e straniere.
Altre attività: È membro dell'International LIAISON Group on Magnetohydrodynamic
Energy Conversion (ILG-MHD). Attualmente ricopre in tale organismo la carica di vicepresidente e tesoriere. È membro del Comitato Tecnico AIAA Plasma Dynamics and Lasers
(AIAA - American Institute of Aeronautics and Astronautics). È segretario del Comitato
Tecnico 25 “Quantities and Units, and their Letter Symbols” dell’IEC (International Electrotechnical Commission) e presidente del Comitato Tecnico 1 dell’IEC “Terminology”. È
presidente del comitato tecnico 1/25 “Terminologia, grandezze e unità “ del CEI (Comitato
Elettrotecnico Italiano).
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3. Personale
Marco Breschi
Ricercatore, ING-IND/31
Contatti:
Tel: +39-051-20-93584, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/pers/breschi/marco.htm
Notizie biografiche: Nato a Bologna nel 1972, nel 1997 si laurea con lode in Ingegneria
Elettrica presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione di Ingegnere. Dal 1997 al 2000 è dottorando di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria
Elettrica di Bologna e il CERN (European Center for Nuclear Research) di Ginevra. Dal
2001 è ricercatore universitario di Elettrotecnica presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Bologna. Nel 2004 è “visiting scientist” presso il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University, USA.
Attività didattica: Dal 1998 al 2005 svolge attività di supporto ai corsi di Corsi di Laurea in
Ingegneria Nucleare, Gestionale, Elettrica e Energetica. Dal 2005 tiene il corso di Fondamenti di Ingegneria Elettrica L per il Corso di Laurea in Ingegneria Chimica e dell’Industria
Alimentare.
Attività di ricerca: L'attività di ricerca che è stata svolta interamente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna si può inquadrare in tre principali tematiche: superconduttività applicata, modelli numerici per campi e circuiti, magnetofluidodinamica applicata. Particolare importanza hanno le applicazioni alle ricerche per acceleratori
di particelle, per la fusione e le reti elettriche di potenza. L'attività inerente i magneti superconduttori si svolge in collaborazione con il CERN (European Center for Nuclear Research, Ginevra, Svizzera), il CEA (Commissariat d’Energie Atomique, Saclay, Francia) e
MIT (Massachussettes Institute of Technology, Boston, USA). L'attività inerente le applicazioni nelle reti di potenza si svolge in collaborazione con il gruppo di Superconduttività del
NHMFL (National High Magnetic Field Laboratory) e del CAPS (Center for Advanced
Power Systems, Florida State University, USA) ed ha come obiettivo lo studio di nastri superconduttori ad alta temperatura critica e magneti permanenti superconduttivi. Svolge attività di revisione per le riviste IEEE Transactions on Applied Superconductivity, IEEE
Transactions on Magnetics, Cryogenics, Superconductor Science and Technology.
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3. Personale
Alberto Burchiani
Professore Associato, ING-INF/07
Contatti:
Tel: +39-051-20-93475, Fax: +39-051-20-93470
Notizie biografiche: Alberto Burchiani nasce a Camerano (AN) il 13 luglio 1938.
Consegue la laurea in Ingegneria Elettrotecnica il giorno 6 dicembre 1962 discutendo con
il prof. Vittorio Mòdoni una tesi sperimentale di Misure Elettriche avente per oggetto la realizzazione e la caratterizzazione metrologica di un dispositivo elettromeccanico per il rilievo
oscillografico della coppia di un motore asincrono in fase di avviamento. Assolti gli obblighi
militari, nel giugno 1964 viene chiamato dal prof. Vittorio Mòdoni a ricoprire per incarico un
posto di assistente di Misure Elettriche nel corso di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica. A
seguito di concorso, viene immesso in ruolo come Assistente nella stessa materia a partire
dall’Anno Accademico 1965/66. Alla prima tornata dei giudizi di idoneità, diventa
professore associato (poi confermato).
Attività didattica: Nell’Anno Accademico 1970/71 gli viene affidato dalla Facoltà di Ingegneria di Bologna l’incarico del corso di “Macchine ed impianti elettrici” per i corsi di Laurea in Ingegneria Chimica ed in Ingegneria Nucleare. Dall’Anno Accademico 1973/74 la
Facoltà di Ingegneria di Bologna gli affida l’incarico del corso di “Complementi di Misure
Elettriche” per il corso di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica. La Facoltà gli attribuisce
come compito istituzionale di Professore Associato, dall’Anno Accademico 1983/84, il
corso di “Misure Elettriche” per il corso di laurea in Ingegneria Elettrotecnica, in seguito
denominato “Misure Elettriche e Laboratorio L” per il corso di laurea in Ingegneria Elettrica.
Oggi è ancora titolare di tale corso nel quale vengono impartite lezioni cattedratiche e
svolte, da parte degli studenti, attività di esercitazioni sperimentali di laboratorio.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca svolta ha riguardato prevalentemente la realizzazione e la caratterizzazione metrologica di dispositivi di misura di grandezze elettromeccaniche di macchine elettriche e lo studio di metodi innovativi, non normalizzati, per il rilievo strumentale delle curve caratteristiche di motori asincroni (curva coppia-velocità, diagramma polare delle correnti, ecc.).
Altre attività: Fino all’Anno Accademico 1999/2000 ha operato come professore a tempo
definito, svolgendo, oltre all’attività universitaria, attività di libera professione quali progettazione, direzione lavori e collaudo di impianti elettrici di energia e speciali a favore di enti
pubblici (tra i quali l’Università di Bologna) e privati. Da tale attività professionale svolta per
decenni, è derivata, almeno in parte, l’impostazione originale del corso di “Misure Elettriche e Laboratorio L”, corso ancora oggi mirato a fornire agli allievi, oltre alle usuali conoscenze in campo metrologico elettrico (strumenti e metodi di misura di laboratorio ed industriali), le conoscenze teorico-pratiche di cui i futuri ingegneri elettrici dovranno disporre un
domani nell’esercizio della loro attività anche in settori, quali, ad esempio, le misure in
acustica, usualmente non trattati nei corsi di Misure Elettriche per Ingegneria Elettrica.
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3. Personale
Domenico Casadei
Contatti:
Tel: +39-051-20-93567, Fax: +39-051-20-93579
sito web:http://www.die.ing.unibo.it/dc.htm
Notizie biografiche: Domenico Casadei si è laureato con lode in Ingegneria Elettrotecnica nel 1974, presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna. Dal 1974 al 1977 ha coperto il
ruolo di assegnista e dal 1977 al 1985 quello di assistente ordinario presso l'Istituto di
Elettrotecnica della Facoltà di Ingegneria di Bologna. Vincitore del concorso di idoneità a
Professore Associato, raggruppamento concorsuale Convertitori, Macchine e Azionamenti
Elettrici, è stato chiamato dalla Facoltà di Ingegneria di Bologna il 5/8/85. Vincitore della
procedura di valutazione comparativa ad un posto di Professore Ordinario, nello stesso
raggruppamento concorsuale, è stato chiamato dalla Facoltà di Ingegneria di Bologna il
30/03/2001. Dal 1/11/2004 è Direttore del Dipartimento di Ingegneria Elettrica.
Attività didattica: Dal 1985 al 1992 ha svolto il corso di Macchine e Impianti Elettrici per il
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica. Dal 1993 ha svolto, per diversi periodi, i corsi di
Azionamenti Elettrici (elettrica, meccanica, elettronica, automazione), Modellistica dei Sistemi Elettromeccanici (informatica, automazione) e Dinamica degli Azionamenti Elettrici
(elettrica). Ha svolto attività didattica presso le Facoltà di Ingegneria di Cesena, Reggio
Emilia e Modena nel settore delle Macchine e degli Azionamenti Elettrici. Ha svolto diversi
tutorial organizzati nell’ambito dei congressi internazionali delle società dell’IEEE. Ha promosso ed attivato programmi di scambio studenti (Erasmus/Socrates) con varie Università
Europee: Amiens e Ecole Supérieure d'Ingénieurs de Marseille, Aalborg e Odense,
Throndeim, Saragoza, Budapest. Ha partecipato alla organizzazione del Master Europeo
in Advanced Power Electrical Engineering “MAPEE”, in collaborazione con le Università di
Amiens, Aalborg, Oviedo, Leuven, Cluj-Napoca.
Attività di ricerca: E’ autore di oltre 150 lavori scientifici pubblicati su atti di Congressi e
su Riviste Internazionali. Le tematiche di ricerca riguardano principalmente: modellistica
dei sistemi elettromeccanici, attuatori lineari, controllo diretto di coppia, convertitori a matrice, sistemi di condizionamento della potenza, analisi dei fenomeni ad alta frequenza negli azionamenti elettrici, diagnostica delle macchine e degli azionamenti elettrici. Ha partecipato in questi ultimi anni a diversi progetti di ricerca finanziati prima dal MURST e successivamente dal MIUR. Ha partecipato al Progetto Finalizzato Trasporti 2, CNR, “Veicoli
a guida vincolata con sostentazione e/o propulsione non convenzionale”. Ha partecipato al
progetto europeo INCO-COPERNICUS dal titolo “Demonstration and use of cogeneration
technologies through the generation of electric and heat energy by high speed turbine generators sets”. Attualmente, il sottoscritto è coordinatore nazionale del Progetto MIURPRIN-2005, “Azionamenti con motori sincroni ad alta coppia per generazione eolica e propulsione navale” e partecipa al Progetto Europeo MARIE CURIE TOK-IAP, No MTKI-CT029986 dal titolo “PREdictive MAIntenance and Diagnostics of railway power trains”,
“PREMAID”, coordinato da ALSTOM TRANSPORT SA (FR). Ha attivato numerose convenzioni di ricerca con Aziende private ed è coinvolto nel programma regionale per la ricerca industriale ed il trasferimento tecnologico PRRIITT. E’ Senior Member dell’ IEEE Industrial Electronics Society, e membro dell’ European Power Electronics Society.
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3. Personale
Andrea Cavallini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93569, Fax: +39-051-20-93470
e-mail:[email protected]
Notizie biografiche: Sono nato a Mirandola (Mo) nel 1963. Nel 1990 mi sono laureato in
Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università di Bologna. Nel 1995 ho conseguito il dottorato in Ingegneria Elettrotecnica. Dal 1995 al 1998 sono stato Ricercatore presso
l’Università di Ferrara. Dal 1998 sono professore associato presso l’Università di Bologna.
Nel 1999, insieme ad altri docenti e neolaureati ho partecipato alla fondazione dello spinoff accademico TechImp SpA. Dal 2004 sono rappresentante nazionale per il comitato di
studio D1 della Cigrè.
Attività didattica: Ho insegnato i corsi di Elettrotecnica e Teoria dei Circuiti presso
l’Università di Ferrara (corso di Laurea in Ingegneria Elettronica), Affidabilità e diagnostica
dei sistemi elettrici, Affidabilità e statistica, Manutenzione e diagnostica e Qualità
dell’energia presso l’Università di Bologna (corso di Laurea in Ingegneria Elettrica). Nel
1995 ho anche insegnato Elettrotecnica presso l’Università di Parma (Diploma universitario in Ingegneria delle Infrastrutture).
Attività di ricerca: Ho iniziato la mia attività di ricerca nel 1990 nel campo della qualità
dell’energia, dove mi sono interessato allo sviluppo di modelli al calcolatore per raddrizzatori a ponte totalmente controllati e forni ad arco. Oltre a ciò, il mio interesse di ricerca
era rivolto alla modellazione stocastica di processi aleatori come, ad esempio, i livelli di inquinamento armonico e la domanda di energia nelle reti elettriche. Ciò mi ha portato ad
utilizzare tecniche tipiche dell’identificazione statistica dei sistemi dinamici così come tecniche di intelligenza artificiale (reti neurali, classificatori fuzzy, algoritmi genetici). Nel 1998
i miei interessi si sono focalizzati sulla diagnostica dei sistemi isolanti in alte tensione. In
particolare, ho sviluppato modelli per la simulazione di scariche parziali in sistemi isolanti
solidi, tecniche per l’analisi dei segnali ed il riconoscimento dei fenomeni di scariche parziali.
Altre attività: Come accennato nelle note biografiche, sono socio fondatore dello spin-off
accademico TechImp SpA.
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3. Personale
Andrea Cristofolini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93568, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/pers/cristofo/andrea.htm
Notizie biografiche: Andrea Cristofolini nasce a Catania il 13 gennaio 1965. Consegue la
Laurea in Ingegneria Nucleare presso l'Università degli Studi di Bologna il 17/07/91, discutendo una tesi sulla modellistica numerica dell’elettrodinamica di un generatore MHD.
Frequenta il corso di Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica presso l'Università di
Bologna dal novembre 1991 e supera l’esame finale di Dottorato nel 1995. E’ Ricercatore
presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università degli Studi di Bologna dal luglio 1995. E’ Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università degli Studi di Bologna dal novembre 2002
Attività didattica: Il docente, dal 1995 al 2001, ha tenuto lezioni ed esercitazioni per i
corsi di Elettrotecnica dei Corsi di Laurea in Ingegneria Gestionale, Nucleare, Meccanica,
Informatica ed Elettronica delle Facoltà di Ingegneria di Reggio Emilia, Bologna e Modena,
e per il corso di Magnetofluidodinamica Applicata dei Corsi di Laurea in Ingegneria Elettrica e Nucleare della sede Bolognese. Dal 1999 al 2002 ha tenuto l’insegnamento di Elettrotecnica per i corsi di Diploma Universitario in Ingegneria Aerospaziale e Meccanica per i
CdL in Ingegneria Aerospaziale e Meccanica presso la sede di Forlì e per il CdL in Processi Gestionali/Ingegneria Gestionale della sede di Bologna.
Dall’Anno Accademico 2002/03 ha svolto annualmente come impegno istituzionale in qualità di Professore Associato due corsi di Elettrotecnica e Fondamenti di Ingegneria Elettrica
per i CdL in Ingegneria Chimica, Ingegneria delle Telecomunicazioni ed Ingegneria dei
Processi Gestionali.
Dal 2005, il docente tiene attualmente il corso Calcolo dei Campi Elettrici e Magnetici per
la Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica e di Elettrotecnica per Ingegneria delle Telecomunicazioni.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca svolta dal candidato è iniziata nel 1990 durante lo
svolgimento della tesi di laurea sulla modellistica numerica dell’elettrodinamica di un generatore MHD, ed è proseguita articolandosi su svariate tematiche che comprendono lo studio dei plasmi e dei regimi magnetofluidodinamici, i modelli numerici per campi elettromagnetici ed MHD, e la superconduttività applicata. Attualmente il Prof. Cristofolini è impegnato in diversi progetti di ricerca imperniati su tematiche inerenti l'interazione magnetoplasmadinamica in flussi supersonici ed ipersonici e rivolti allo sviluppo di tecnologie MHD
per il rientro di veicoli spaziali in atmosfere planetarie ed allo sviluppo di vettori spaziali a
singolo stadio. Tali progetti, finanziati dal MIUR, da ASI e da ESA, prevedono lo sviluppo
di modelli teorico numerici dell’interazione MHD e la loro applicazione e validazione su
esperimenti realizzati ad hoc.
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3. Personale
Massimo Fabbri
Contatti:
Tel: +39-051-20-93581, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/pers/fabbri/nome.htm
Notizie biografiche: Nato a Faenza (RA) nel 1969, nel 1992 si laurea con lode in Ingegneria Nucleare presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione di Ingegnere. Nel 1997 consegue il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica.
Dal 1995 è ricercatore universitario di Elettrotecnica presso il Dipartimento
di Ingegneria Elettrica. Dal 2005 è Professore Associato di Elettrotecnica.
Attività didattica: Dal 1995 al 2005 svolge attività didattica di supporto per il corso di
Elettrotecnica di diversi Corsi di Laurea presso l’Università di Bologna e sedi limitrofe. Dal
2000 tiene a supplenza un corso di Elettrotecnica in diversi CdL dell’Università di Bologna.
Dal 2005 tiene per titolarità i corsi di Elettrotecnica L per i CdL in Ingegneria dei Processi
Gestionali ed in Ingegneria Informatica.
Attività di ricerca: L’attività scientifica inizia nel 1992 con lo svolgimento della tesi di laurea su “Problemi di sintesi in campi magnetofluidodinamici”. Successivamente, l'attività di
ricerca riguarda le seguenti tematiche: Metodi di ottimizzazione globale nei problemi di
progetto di dispositivi elettromagnetici; Sistemi di accumulo di energia utilizzanti superconduttori; Fenomeni magnetofluidodinamici di interesse per l'ingegneria metallurgica e
industriale; Metodi analitici e numerici per lo studio dei campi; Sistemi a superconduttore
per il trasporto dell'energia elettrica, la levitazione magnetica e la limitazione delle correnti
di guasto. La maggior parte delle attività si inquadrano nei progetti di ricerca a livello locale, nazionale ed internazionale ai quali ha partecipato. I risultati ottenuti, sia teorici che
sperimentali, sono riportati in oltre sessanta pubblicazioni scientifiche.
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3. Personale
Davide Fabiani
Contatti:
Tel: +39-051-20-93487, Fax: +39-051-20-93470
sito web: www.limat.ing.unibo.it/pers/fabiani.htm
Notizie biografiche: Nato a Forlì il 7 gennaio 1972, nel 1997 si è laureato (con lode) in
Ingegneria Elettrica presso l’Università di Bologna. Nella 1998 ha superato l'esame di stato
per l'abilitazione alla professione di Ingegnere. Nel maggio 1998 è stato vincitore di una
Borsa di Studio per ricerche su nuovi materiali per cavi di alta tensione finanziata da Pirelli
Cavi e Sistemi S.p.A., svolta presso il DIE dell’Università di Bologna. Nel 2002 ha
conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Elettrica. Dal 01/01/2002 al
30/03/2005 è stato titolare di un Assegno di Ricerca biennale nell'ambito del progetto
"Metodologie diagnostiche su sistemi elettrici", cofinanziato dall'Università di Bologna. Dal
01/04/2005 è Ricercatore Universitario nel settore ING-IND/33 “Sistemi Elettrici per
l’Energia” presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna.
Attività didattica: Davide Fabiani ha svolto attività di didattica integrativa, seminari e tutorato presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna dal 1997 ad oggi per i
moduli di Componenti e Tecnologie Elettriche, Modellistica ed Ingegneria del Materiali
Elettrici, Affidabilità e Statistica per i Sistemi Elettrici, Tecnica delle Alte Tensioni, Tecnologie Elettriche Innovative, Qualità dell’Energia, Manutenzione e Diagnostica dei Sistemi
Elettrici nei corsi di Laurea di Ingegneria Elettrica ed Energetica.
Negli anni accademici dal 2001/02 al 2003/04 ha svolto parte delle lezioni frontali del modulo di Sistemi Elettrici di Potenza, per il Master in Ingegneria dell’Innovazione presso
l’Università degli Studi di Bologna - Sede di Buenos Aires (Argentina). Dal 2005/06 è titolare dell’insegnamento di Didattica degli Impianti Elettrici presso la SISS dell’Università di
Modena e Reggio Emilia.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca di Davide Fabiani comincia subito dopo la tesi, nel
1997. I suoi campi di ricerca riguardano principalmente l’Ingegneria dei Materiali, la diagnostica dei sistemi elettrici e la qualità dell’energia. In particolare, si occupa di caratterizzazione elettrica termica ed ambientale di materiali elettrici innovativi (magnetici, superconduttori nanocompositi e piezolettrici), con speciale attenzione all’accumulo della carica
di spazio e alla diagnostica dei sistemi elettrici mediante misure scariche parziali su motori, generatori e trasformatori. Si occupa, inoltre, dello studio dell’invecchiamento accelerato di componenti del sistema elettrico in presenza di tensioni e correnti non sinusoidali
(in particolare, degli avvolgimenti delle macchine elettriche alimentate da convertitori di
potenza). E' autore o coautore di circa 60 lavori scientifici pubblicati negli atti dei principali
congressi e riviste internazionali. Dal 1998 è membro dell’IEEE, della Dielectric and Electrical Insulation Society (DEIS) e della Power Engineering Society (PES). E’ Reviewer per
le riviste internazionali IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation e Journal
of Electrostatics.
Altre attività: Dal settembre 1999 è socio fondatore di TechImp Spa, spin-off dell’Università di Bologna. Con tale società collabora attivamente nello sviluppo di metodologie diagnostiche per i sistemi elettrici.
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3. Personale
Fiorenzo Filippetti
Professore Straordinario, ING-IND/32
Contatti:
Tel: +39-051-20-93577, Fax: +39-051-20-93588
sito web: www.die.ing.unibo.it
Notizie biografiche: Nato a Fano nel 1945, nel 1970 si laurea in ingegneria elettrotecnica
presso l’università di Bologna. Nel 1971 è ricercatore presso l’istituto di automatica
dell’università di Bologna; dal 1972 passa all’istituto di elettrotecnica prima come borsista
poi come ricercatore e dal 1976 come Assistente Ordinario. Nel 1985 ottiene l’idoneità
come Associato di Elettrotecnica e viene chiamato presso la facoltà di Ingegneria di Bologna. Negli anni 1997 e 1998 è visiting professor presso l’università Claude Bernard di
Lione; per l’intero anno 1998 è membro del consiglio scientifico del CEGELY di Lione
(Centre de Génie Electrique de Lyon). Nel 2005 ottiene l’idoneità come professore Ordinario in Convertitori, Macchine e Azionamenti elettrici e viene chiamato presso la facoltà di
ingegneria di Bologna. Dal 2005 è responsabile del Master Europeo Master in Advanced
Power Electrical Engineering (MAPEE). E’ membro di AEIT e IEEE.
Attività didattica: Incaricato dal 77 al 81 all’università di Ancona su corsi di Elettrotecnica
(ing. civile ed elettronica), negli anni 85/86 e 86/87 come Associato tiene a Bologna per
titolarità il corso di Elettrotecnica II (ing. Elettronica). Dal 87/88 al 98/99 tiene vari corsi di
Elettrotecnica ed Elettrotecnica II (ing. civile ed ambiente e territorio). Dal 1993 al 2002
tiene per supplenza all’università di Parma corsi di Elettrotecnica per il D.U. in ing. meccanica (93-96) e di Azionamenti Elettrici per l’Automazione per il D.U. in ing. Elettronica (962002). Dal 98/99 al 2004/2005 tiene con continuità un corso di Elettrotecnica per il settore
dell’informazione (V.O. e successivamente N.O.); tiene altresì il corso di Circuiti Elettrici
(2003/04) ed il corso di Costruzioni Elettromeccaniche (2004/05) per il settore elettrico. Dal
2005/2006 dopo la chiamata come Ordinario tiene i corsi, Modellistica dei Sistemi
Elettromeccanici, e Costruzioni Elettromeccaniche per il settore elettrico ed Elementi di
Elettrotecnica per il settore civile. Dal 2005 ha anche la responsabilità del corso Advances
in electrical machines monitoring and diagnosis nell’ambito del Master europeo MAPEE.
Attività di ricerca: L’attività inizia nel 71 su tematiche di informatica; si amplia poi su altri
temi, progettazione ottimizzata, analisi numerica e simbolica di circuiti, modellizzazione e
simulazione di macchine elettriche in regime normale e di guasto. Confluisce poi nel più
ampio tema della diagnostica delle macchine elettriche, che caratterizza l’attività recente,
con i risultati più significativi e con importanti collaborazioni nazionali ed internazionali; accademiche (Un. di Parma, Napoli, Aberdeen, Lione, Cracovia, Amiens), ed industriali
(ENEL, CESI, GE corporate New York, Alstom Tarbes). Fiorenzo Filippetti è coinvolto
come session chairman e come revisore in vari congressi (IEEE IECON, IEEE SDEMPED,
ICEM etc.), svolge attività di revisione per IEEE trans. on IE, è co-titolare di un brevetto ed
ha ottenuto nel 2000 il best paper award dal comitato macchine elettriche nell’annual
meeting IEEE IAS. Partecipa a vari progetti di ricerca, in particolare è stato coordinatore
nazionale del PRIN ADES ed attualmente partecipa al progetto Europeo PREMAID (capofila Alstom). Recentemente l’attività di Fiorenzo Filippetti sulla diagnostica è stata inserita
nell’ambito del network di laboratori universitari europei OELEM (Open European Lab. on
Electrical Machines). L’ attività è documentata da oltre 140 pubblicazioni.
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3. Personale
Gabriele Grandi
Contatti: callto://gabriele.grandi/ (Skype)
Tel: +39-051-20-93571, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/gg.htm
Notizie biografiche: Nato a Bologna nel 1965, nel 1990 si laurea (con lode) in Ingegneria
Elettrotecnica presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione
di Ingegnere. Nel 1994 consegue il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica. Nel
1992 è abilitato all’insegnamento nelle scuole superiori per le classi A041-Elettrotecnica
ed A052-Impianti Elettrici e Costruzioni Elettromeccaniche, prestando servizio di ruolo neli
anni 1994 e 1995. Dal 1995 è ricercatore universitario di Elettrotecnica presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica. Nel 1996 è visiting researcher presso il Norwegian Electric
Power Research Institute di Trondheim (Norway). Consegue l’idoneità per Professore Associato di Elettrotecnica nel 2003 ed assume servizio nel nuovo ruolo all’inizio del 2005.
Attività didattica: Negli anni 1994 e 1995 è docente di ruolo di Elettrotecnica presso l’
I.T.I.S. “Leonardo da Vinci” di Porretta Terme (BO). Dal 1995 al 2001 ha svolto attività didattica integrativa e seminari presso l’Università di Bologna e sedi limitrofe per i corsi di
Principi di Ingegneria Elettrica I e II, Elettrotecnica, Compatibilità Elettromagnetica Industriale, Conversione Statica dell’Energia, Azionamenti Elettici ed Elettronica Industriale ed Applicazioni Industriali Elettriche. Negli A.A. 1999/2000 e 2000/2001 ha svolto il corso di Elettrotecnica presso il D.U. in Ingegneria Meccanica dell’Università di Ferrara. Dall’ A.A.
2000/2001 svolge il corso di Circuiti Elettronici di Potenza e dall’A.A. 2004/2005 il corso di
Circuiti Elettrici, entrambi presso il CdL in Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna.
Attività di ricerca: L’attività scientifica di Gabriele Grandi inizia nel 1990, nel periodo immediatamente successivo alla Laurea, dando luogo ad oltre sessanta pubblicazioni scientifiche. In una prima fase, fino al 1994 (anno di conseguimento del Titolo di Dottore di Ricerca), tale attività ha riguardato prevalentemente lo studio della conversione elettromeccanica e della conversione statica dell’energia. In una seconda fase, fino a tutt’oggi, l’attività scientifica si è orientata verso la compatibilità elettromagnetica, la modellistica circuitale
e l’elettronica di potenza. Attualmente i principali filoni di ricerca sono i convertitori elettronici di potenza, con particolare riferimento alle configurazioni multilivello e multifase, i sistemi di generazione fotovoltaica dell’energia, relativamente alle tecniche MPPT ed alle
strutture di conversione, la determinazione e la misura dei disturbi elettromagnetici. Il Prof.
Grandi è membro del comitato CT 82 - Sistemi di conversione fotovoltaica dell’energia
solare - del CEI e svolge da diversi anni attività di revisione per i congressi IEEE- ISIE,
IEEE-PESC e per la rivista IEEE Transaction on Power Electronics.
Altre attività: Il Prof. Grandi svolge attività periziali e di consulenza per problematiche inerenti l’inquinamento elettromagnetico (elettrosmog), con riferimento sia a campi in bassa
frequenza (elettrodotti, cabine ed apparecchiature a 50 Hz), sia a campi in radiofrequenza
(stazioni radio base, ripetitori radiotelevisivi, etc).
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3. Personale
Franco Mastri
Contatti:
Tel: +39-051-20-93583, Fax: +39-051-20-93588
Notizie biografiche: Nato a Forlì nel 1957, si laurea (con lode) in Ingegneria Elettronica,
presso l’Università di Bologna nel 1985. Dal 1987 al 1989, svolge attività di ricerca presso
la Fondazione Guglielmo Marconi (Pontecchio Marconi, Bologna), come titolare di una
borsa di studio istituita dalla Fondazione Guglielmo Marconi e dalla Selenia (Roma). Nel
1988 è abilitato alla professione di Ingegnere. Dal 1990 è ricercatore presso l’Istituto di
Elettrotecnica dell’Università di Bologna (dal 1996 Dipartimento di Ingegneria Elettrica).
Nel giugno 2001 consegue l’idoneità per Professore Associato di Elettrotecnica ed assume
servizio nel ruolo dal febbraio 2005.
Attività didattica: Dal 1990 al 1999 ha svolto attività didattica integrativa per il corso di
Elettrotecnica per i C.d.L. del Settore dell’Informazione presso la Facoltà di Ingegneria
dell’Università di Bologna. Dal 1995 al 2002 ha svolto corsi di Elettrotecnica per i D.U., e in
seguito i C.d.L., in Ingegneria Biomedica, Elettronica, Informatica, e delle Telecomunicazioni presso la sede di Cesena della Facoltà di Ingegneria. Dal 2005 svolge corsi di Elettrotecnica per i C.d.L. in Ingegneria Biomedica, Elettronica, Informatica e delle Telecomunicazioni presso la sede di Cesena della Seconda Facoltà di Ingegneria dell’Università di
Bologna e dal 2006 il corso di Elettrotecnica per i C.d.L. in Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la sede di Forlì della Seconda Facoltà di Ingegneria.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca di Franco Mastri ha avuto inizio nel 1987 presso la
Fondazione Guglielmo Marconi e ha riguardato, in una prima fase, lo sviluppo di modelli
circuitali di dispositivi non lineari per alta frequenza. In seguito l’attività scientifica ha avuto
come oggetto, in prevalenza, le applicazioni numeriche della teoria dei circuiti non lineari
ed ha riguardato vari temi relativi alle metodologie per la simulazione ed il progetto di circuiti non lineari, con particolare riferimento alle tecniche basate sul metodo del bilanciamento armonico. Le tematiche affrontate includono i metodi per la simulazione di circuiti
non lineari di grandi dimensioni, le tecniche per l’analisi di circuiti fortemente non lineari, la
simulazione nel dominio della frequenza di circuiti non lineari operanti in regime modulato,
l’ottimizzazione a larga banda di circuiti non lineari, l’analisi elettrotermica di circuiti contenenti dispositivi non lineari dipendenti dalla temperatura, l’analisi di stabilità e di rumore
per circuiti non lineari. Inoltre, di recente è stata avviata un’attività di ricerca avente per
oggetto lo sviluppo di modelli per grandi segnali di dispositivi MEMS e lo studio dei fenomeni non lineari in circuiti contenenti interruttori MEMS.
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3. Personale
Giovanni Mazzanti
Contatti:
Tel: +39-051-20-93487, Fax: +39-051-20-93470
Notizie biografiche: Nato a Bologna nel 1962, nel 1986 si laurea con lode in Ingegneria
Nucleare presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna; nel 1987 è abilitato
alla professione di Ingegnere. Dal luglio 1987 al luglio 1988 presta servizio di leva nei Vigili
del Fuoco. Nel 1992 consegue il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica. Dal
1995 è Ricercatore Universitario di Sistemi Elettrici per l’Energia presso il Dipartimento di
Ingegneria Elettrica. A fine 2002 consegue l’idoneità per Professore Associato di Sistemi
Elettrici per l’Energia ed è chiamato in servizio dalla Facoltà di Ingegneria di Bologna, ma,
a causa della Legge Finanziaria 2003, prende effettivamente servizio nel nuovo ruolo solo
nell’Aprile 2004.
Attività didattica: Dall’A.A. 1995/1996 svolge il corso di Tecnica delle Alte Tensioni presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna, prima per il Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica,
poi per il Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica. Dall’ A.A. 2004/2005 svolge
il corso di Qualità dell’Energia Elettrica per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettrica.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca di Giovanni Mazzanti, iniziata nel 1988 con il Corso
di Dottorato di Ricerca, ha prodotto oltre centoventi articoli scientifici, pubblicati prevalentemente su riviste ed atti di congressi internazionali. Fino al 1992 tale attività ha riguardato
la conversione magnetofluidodinamica (MHD) dell'energia ed in particolare la messa a
punto di un modello di analisi bidimensionale in regime stazionario del condotto di un generatore elettrico MHD lineare in ciclo aperto. Poi, l'attività scientifica del Prof. Mazzanti si
è volta all’affidabilità e diagnostica di componenti e sistemi elettrici per AT e MT (dotati in
particolare di isolamenti polimerici), ed è consistita in ricerca teorica per lo sviluppo di modelli di invecchiamento e vita, per valutazioni affidabilistiche e diagnostiche di componenti
elettrici, e prove sperimentali per la caratterizzazione di materiali e sistemi isolanti. In questo ambito il Prof. Mazzanti ha collaborato a contratti di ricerca con importanti partner industriali (EniChem Elastomeri, Pirelli Cavi S.p.a., Borealis), a progetti di ricerca europei, al
Progetto di Ricerca di Importanza Nazionale 2002 intitolato “Gestione del rischio e della
qualità nel mercato dell’energia elettrica”. Il Prof. Mazzanti si è anche occupato di metodi
statistici per l’elaborazione dei dati di prove sperimentali, degli effetti dei transitori termici
sulla vita dei cavi di energia e dei campi magnetici generati da linee aeree di trasmissione
a doppia tema. Il Prof. Mazzanti svolge da alcuni anni attività di revisione per le riviste
Journal of Physics D: Applied Physics e Journal of Applied Physics.
Altre attività: Il Prof. Mazzanti svolge prestazioni e consulenze conto terzi riguardanti la
tenuta dielettrica e termica di materiali e sistemi isolanti, e i campi elettromagnetici in
bassa frequenza generati da elettrodotti, cabine ed apparecchiature a 50 Hz.
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3. Personale
Gian Carlo Montanari
Contatti:
Tel: +39-051-20-93481, Fax: +39-051-20-93588
sito web: www.limat.ing.unibo.it/pers/montanari/giancarlo.htm
Notizie biografiche: Nato a Bologna il 8/11/1955, nel 1979 si è laureato (con lode) in Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università di Bologna. Dal 1983 al 1987 ha ricoperto il
ruolo di ricercatore e dal 1987 al 2000 quello di professore associato presso il Dip. di Ingegneria Elettrica (DIE) dell’Università di Bologna. Dal 1/11/2000 è professore di prima fascia nel settore scientifico disciplinare ING-IND/33 (Sistemi elettrici per l'energia). Dal 2001
é membro della giunta del Collegio di Eccellenza dell’Università di Bologna. Dal 1996 al
2002 è stato Presidente del CCdL in Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. E'
Fellow IEEE, membro AEI e di The Physics Society.
Attività didattica: Negli anni accademici 1986-2000 ha tenuto i corsi di Tecnologie Elettriche (Speciali), Componenti e tecnologie elettriche, Sistemi Elettronici di Potenza negli Impianti Elettrici, Affidabilità e Diagnostica dei Sistemi Elettrici. Ha tenuto, inoltre, il modulo di
Affidabilità e statistica per i sistemi elettrici (dal 2000 al 2004), Tecnologie elettriche innovative (dal 2001), Componenti e tecnologie elettriche (dal 2004). Svolge una continua attività di assistenza a studenti e laureandi; è stato relatore di oltre 180 tesi di laurea sperimentali.
Attività di ricerca: Le sue attività di ricerca riguardano l'invecchiamento di materiali e sistemi isolanti, la diagnostica dei sistemi elettrici e la caratterizzazione di materiali elettrici
innovativi (magnetici, elettreti, superconduttori, nanomateriali), oltre che la qualità e il mercato dell'energia, la statistica e l’affidabilità applicate ai sistemi elettrici, l’elettronica di potenza. Ha vinto premi internazionali e nazionali, fra i quali 1987 IEEE IAS Prize Paper
Award, AEI Faletti-Nosari, 1987, AEI Asea Brown Boveri, 1995, IEEE DEIS Liu Memorial
Award (2006). E' membro dei comitati scientifici di numerosi congressi internazionali IEEE:
CEIDP, ISEI, ISEIM, ISE, ICSD, CSC, ICPADM, INSUCON. E' stato l'organizzatore del
congresso IEEE ICHPS VI, che si è tenuto a Bologna nel 1994. E' convener di gruppi di
lavoro IEC (WG1 di TC112, JWG10 di TC112/TC2 ) ed è membro di vari gruppi di lavoro
nei TC 112 e 2. E' stato rappresentante italiano del TC 15 della CIGRE' ed è presidente
del Chapter italiano della IEEE DEIS. E' convener dello Statistics Committee e membro
dello Space Charge, del Multifactor Stress e del Meetings Committee della IEEE DEIS. E'
Associate Editor della rivista IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation. E’ il
responsabile del Laboratorio di Ingegneria dei Materiali ed Alte Tensioni (LIMAT) del DIE.
E' stato coordinatore nazionale di progetti PRIN e FISR e responsabile locale di tre progetti europei. Detiene numerosi contratti con enti pubblici e privati. E' autore di circa 500
articoli scientifici, pubblicate sulle più importanti riviste e/o congressi internazionali (di cui
110 su Transactions IEEE, e di alcuni brevetti.
Altre attività: Dal 1999 è fondatore e presidente di TechImp Spa, spin-off dell’Università
di Bologna.
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3. Personale
Francesco Negrini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93575, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/pers/negrini/nome.htm
Notizie biografiche: Dal 1970 è Assistente ordinario di Elettrotecnica 1; dal 1975 è Professore incaricato di Macchine ed Impianti Elettrici; dal 1980 è Professore Associato di
Elettrotecnica; dal 1986 è Professore Ordinario di Elettrotecnica nella Facoltà di Ingegneria dell'Università di Bologna, e Professore Supplente di Elementi di Fisica e di Ingegneria
dei Plasmi.
Attività didattica: Attualmente tiene per titolarità i corsi di Elettrotecnica L per il CdL in Ingegneria Energetica e di Principi di Ingegneria Elettrica LS per il CdL specialistica in Ingegneria Gestionale. Nel 1988 è Direttore della Scuola Internazionale UNESCO sulla Ingegneria Magnetofluidodinamica. Dal 1998 è Coordinatore del Collegio dei Docenti del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica dell'Università di Bologna. Il Prof. Negrini ha
organizzato e presieduto 8 Congressi Internazionali; Ha tenuto Conferenze, Seminari ed
“Invited Lectures” presso Università ed Enti di Ricerca pubblica e privata in Giappone,
Stati Uniti, Russia, Cina ed Europa.
Attività di ricerca: Gli argomenti principalmente trattati sono: Elettrodinamica dei Sistemi
Continui, Magnetofluidodinamica applicata, Superconduttività Applicata, Modellistica tramite l’approccio della teoria dei campi e dei circuiti, Progettazione assistita al calcolatore di
sistemi elettromagnetici e Caratterizzazione elettromagnetica dei materiali. Il Prof. Negrini
è autore di oltre 150 pubblicazioni, in larga parte su riviste scientifiche internazionali. Nel
2005 gli sono stati conferiti due prestigiosi premi internazionali: l’ILG-MHD Faraday Prize e
lo Special Award for Magnet Technology and Large Scale Superconductivity in Italy.
Altre attività: dal 1973 al 1976 è Corresponsabile della Direzione delle ricerche sulla Conversione Diretta dell’Energia per via Magnetofluidodinamica presso il Laboratorio Conversione Diretta del CNEN di Frascati ove sono stati acquisiti risultati sperimentali di rilevante
valore scientifico sul piano mondiale; nel 1977 fonda il Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica dell'Università di Bologna; Nel 1987 le Società Snamprogetti, Ansaldo e F.
Tosi lo designano Presidente del Consorzio Industriale Italiano sull’MHD; nel 1999 diviene
Presidente del Consorzio SAES, costituito da Ansaldo Energia, E.Zanon ed Europa Metalli
con il compito di coordinare le ricerche sulle applicazioni industriali della superconduttività.
Dal 1987 al 1992 il MICA lo designa Responsabile del progetto di ricerca sui combustibili
fossili con conversione MHD, in collaborazione con il DOE; Dal 1993 al 2002 è Vice
Presidente del Comitato Esecutivo del “Board of Directors” dell'Unesco Int. Liaison Group
on MHD Electrical Power Generation; Dal 1989 al 1996 è Coordinatore Nazionale del
Sottoprogetto "Magneti Superconduttori" nell'ambito del Progetto Finalizzato CNR "Tecnologie Superconduttive e Criogeniche", con risultati sperimentali talmente significativi da
permettere l’acquisizione di numerosi record e leadership sia tecnologiche che ingegneristiche sul piano internazionale; Dal 1997 a oggi è responsabile di diversi progetti riguardanti la superconduttività applicata, l’Idrogeno e le fonti rinnovabili.
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3. Personale
Carlo Alberto Nucci
Contatti:
Tel: +39-051-20-93479, Fax: +39-051-20-93470
sito web: http://www.lisep.ing.unibo.it
Notizie biografiche: Nato a Bologna nel 1956. Laureato in Ingegneria elettrotecnica nel
1981 con lode e medaglia ‘Luigi Donati’ quale miglior laureato nel triennio. Ricercatore
universitario nel 1983, professore associato nel 1992, straordinario nel 2000, ordinario dall’ottobre 2003. Dal 2004 è membro dell’Osservatorio della Ricerca dell’Università di Bologna.
Attività didattica: Presso la Facoltà d’ingegneria dell’Università di Bologna, insegnamento di Centrali elettriche dal 1990 al 2000, di Elementi di sistemi elettrici per l’energia dal
2001 al 2005, di Sistemi elettrici per l’energia e di Elementi di sicurezza elettrica (per corsi
di laurea specialistica) rispettivamente dal 2001 e dal 2004; docente di alcuni Master universitari. Nell’associazione europea EES-UETP, chairman del Program Committee e attività didattica per i corsi post laurea. Presso il Politecnico Federale di Losanna, docente
del Cours Post gradé Génie Electrique dal 2001 al 2003.
Attività di ricerca: Attività scientifica principalmente sui seguenti temi: analisi del comportamento dinamico degli impianti di produzione e dei sistemi elettrici di potenza con particolare riferimento alle condizioni di riavvio del sistema dopo un blackout; studio dei transitori elettromagnetici nei sistemi elettrici, ed in particolare di quelli provocati da scariche
atmosferiche; gestione delle reti di distribuzione in presenza di generazione distribuita, anche da fonte rinnovabile; caratterizzazione di batterie per veicoli elettrici. Autore o coautore
di oltre 180 lavori su riviste varie e su atti di conferenze nazionali ed internazionali, di tre
capitoli di altrettanti volumi editi dall’IEE, da Kluwer e da Rumenian Academy of Science,
di uno ‘standard’ della IEEE e di alcune guide della CIGRE. Keynote lecture e tutorial a
convegni internazionali e presso università straniere. Diversi riconoscimenti e premi internazionali tra cui il Cigre Technical Committe Award per l’anno 2004. Responsabile locale
di diversi progetti PRIN e responsabile scientifico di numerosi contratti di ricerca tra il DIE
ed altri enti di ricerca e/o istituti universitari italiani e stranieri su temi riguardanti il riavvio
del sistema elettrico in seguito a ‘black-out’, il coordinamento dell’isolamento delle reti di
distribuzione, la generazione distribuita, la protezione delle linee e degli aerogeneratori
contro il fulmine, la localizzazione dei guasti nelle reti di distribuzione.
Altre attività: Associate editor dell’Electric Power Research Journal (EPSR), Elsevier.
Guest editor di special issue pubblicati su IEEE Trans. on EMC, J. of Electrostatics, EPSR
journal. Nell’”International council on large electric systems (CIGRE)”, convener del gruppo
di lavoro “Lightning” e Chairman dello Study Committee C4 “System technical performaces” per il quadriennio 2006-2010. Nella IEEE Chairman dell’International steering
committee della conferenza internazionale PowerTech e chairman del “Joint Central &
South Italy/North Italy PES Chapter in Region 8”.
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3. Personale
Mario Paolone
Contatti:
Tel: +39-051-20-93488, Fax: +39-051-20-93470
sito web: www.lisep.ing.unibo.it
Notizie biografiche: nato a Campobasso nel 1973, laureato in ingegneria elettrica presso
l’Università di Bologna con lode nel 1998. Negli anni 1998-99 ricercatore presso l’Azienda
Ravennate Energia ed Ambiente. Dottore di ricerca in Ingegneria elettrotecnica nel 2002,
ricercatore universitario di Sistemi elettrici per l’energia presso il D.I.E. a partire dal 2005.
Attività didattica: tutor presso la Facoltà di ingegneria dell’Università di Bologna dei corsi
di ‘Produzione distribuita dell’energia elettrica’ per l’a.a. 2001/02 e di ‘Impianti elettrici con
elementi di sistemi elettrici per l'energia’ negli a.a. 2001/02 e 2002/03. Docente nel Master
‘Previsione, prevenzione e controllo del rischio industriale’ presso l’Università di Bologna
nel 2004. Docente del corso ‘Grounding analysis and techniques: from industrial to high
frequencies and lightning’ dall’associazione europea EES-UETP nel 2004 e del corso
‘Elementi di sistemi elettrici per l’energia’ presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di
Bologna dall’a.a. 2005/06.
Attività di ricerca: l'attività scientifica, è stata svolta all’interno del Laboratorio di ingegneria dei sistemi elettrici di potenza (LISEP). A partire dal 1998 studio delle procedure di riaccensione della rete elettrica mediante l’utilizzo di centrali a vapore ripotenziate. Negli anni
successivi, valutazione su scala Pre-Pilota, Pilota e Prototipo del trattamento termico di
terreni inquinati per effetto Joule e sviluppo dei relativi sistemi elettrici nell’ambito del Programma Nazionale di Ricerca per l’Ambiente finanziato dal MURST. Studio dei transitori
elettromagnetici nei sistemi elettrici di potenza derivanti da disturbi di origine interna ed
esterna ed in particolare: valutazione delle prestazioni delle linee elettriche nei confronti di
sovratensioni indotte di origine atmosferica, studio delle procedure di localizzazione dei
guasti nelle reti di distribuzione. A partire dal 2003, è membro dell’IEEE Working Group
‘Lightning performance of Distribution lines’ e del joint CIGRE-CIRED WG ‘Protection of
MV and LV networks against lightning’. Studio, progettazione e realizzazione di prototipi di
sistemi di misura per l'analisi della qualità dell'energia elettrica in collaborazione con il
gruppo di Misure elettriche ed elettroniche del D.I.E.. L’attività di ricerca svolta ha dato luogo ad oltre sessanta pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali ed atti di convegni.
Altre attività: membro del comitato organizzatore e co-editore degli atti della Conferenza
internazionale ‘2003 IEEE Bologna PowerTech’, 23-26 giugno 2003.
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3. Personale
Gaetano Pasini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93473, Fax: +39-051-20-93470
sito web: http://www.die.unibo.it
Notizie biografiche: Nato a Imola nel 1964, nel 1991 si laurea in Ingegneria Elettronica
presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione di Ingegnere.
Dal 1993 è ricercatore universitario di Misure Elettriche ed Elettroniche presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica. Consegue l’idoneità per Professore Associato di Misure
Elettriche ed Elettroniche nel 2001 ed assume servizio nel nuovo ruolo nell’ottobre dello
stesso anno. Riceve la conferma in ruolo il 1 ottobre del 2004.
Attività didattica: Dal 1994 svolge attività didattica integrativa e seminari presso l’Università di Bologna e sedi limitrofe per i corsi di Misure Elettriche ed Elettroniche e Sensori e
Trasduttori. Dall’A.A. 1997/1998 all’A.A. 2003/2004 ha svolto il corso di Misure Elettroniche presso il D.U. in Ingegneria Elettronica presso la seconda Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bologna, con sede a Cesena. Dall’ A.A. 2000/2001 svolge il corso di Sensori e Trasduttori per i CdL in Ingegneria Elettrica ed Ingegneria Elettronica dell’Università di Bologna. Nell’A.A. 2002/2003 ha svolto il corso di Fondamenti della Misurazione per il CdL in Ingegneria Elettronica; nell’A.A. 2003/2004 ha svolto il corso di Misure
per la Sicurezza e dall’A.A. 2004/2005 svolge il corso di Misure e Collaudo di Macchine e
Impianti Elettrici, entrambi presso il CdL in Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca di Gaetano Pasini inizia nel 1992, nel periodo successivo alla Laurea, ed ha dato luogo ad oltre cinquanta pubblicazioni scientifiche. Nella
prima fase tale attività ha riguardato lo studio, la realizzazione e la caratterizzazione di
strumentazione digitale basata su strategie di campionamento dei segnali non convenzionali (wattmetro, voltmetro vettoriale, analizzatore di spettro). In parallelo l’attività si è ampliata includendo la caratterizzazione di sistemi dinamici non lineari mediante la serie di Volterra modificata. Negli ultimi anni ha studiato anche la strumentazione per le misure di scariche parziali nei materiali isolanti. Attualmente, oltre ai temi esposti, l’attività in oggetto si è
ampliata includendo lo studio di strumenti per l’analisi dell’interazione uomo-ambiente. Il
Prof. Pasini svolge inoltre attività di revisione per il congresso IEEE- IMTC.
Altre attività: L’esperienza maturata negli anni sullo studio della strumentazione digitale
ha portato il Prof. Pasini ad essere cofondatore di uno spin-off accademico con l'obiettivo
di esercitare attività relative alla diagnostica all'automazione e allo sviluppo tecnologico,
elettrico ed elettronico, di sistemi e processi produttivi.
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3. Personale
Gianni Pattini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93475, Fax: +39-051-20-93470
Notizie biografiche: Gianni Pattini nasce a Parma il 14 marzo 1945. Frequenta le scuole
medie e l'Istituto Tecnico Industriale "Leonardo da Vinci" di Parma e, nella sessione estiva
dell’anno 1964, consegue l'Abilitazione Tecnico Industriale ricevendo il Premio della Provincia di Parma per la migliore votazione conseguita. Nell’Anno Accademico 1964/65 si
iscrive al biennio propedeutico di Ingegneria nella Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche
e Naturali dell’Università degli Studi di Parma. Superato il biennio propedeutico, nell’Anno
Accademico 1966/67 si iscrive al corso di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica
dell’Università di Bologna. Consegue la laurea in Ingegneria Elettrotecnica il giorno 27
febbraio 1970 discutendo una tesi di ricerca in Tecnologie Elettriche su "Invecchiamento
dei Materiali Isolanti", avendo come Relatore il Prof. Luciano Simoni. In data 16 marzo
1970 viene chiamato dal prof. Luciano Simoni a ricoprire per incarico un posto di assistente di Tecnologie Elettriche nel corso di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica. A seguito
di concorso, viene immesso in ruolo come Assistente nella stessa materia a partire
dall’Anno Accademico 1971/72. Alla prima tornata dei giudizi di idoneità, diventa professore associato (poi confermato).
Attività didattica: Nell’Anno Accademico 1975/76 gli viene affidato dalla Facoltà di Ingegneria di Bologna l’incarico del corso di “Tecnica delle Alte Tensioni” per il corso di Laurea
in Ingegneria Elettrotecnica. La Facoltà gli attribuisce come compito istituzionale di Professore Associato, dall’Anno Accademico 1983/84, il corso di “Tecnica delle Alte Tensioni”
per il corso di laurea in Ingegneria Elettrotecnica. Dall'anno accademico 1995/96 la Facoltà gli attribuisce come compito istituzionale il corso di "Impianti Elettrici", oggi denominato “Impianti Elettrici L” per il corso di laurea in Ingegneria Elettrica. Nell'ambito della
Laurea Specialistica tiene il corso di "Metodologie di Progettazione degli Impianti Elettrici".
Attività di ricerca: L’attività di ricerca svolta ha riguardato prevalentemente il settore dell'invecchiamento dei materiali isolanti solidi.
Altre attività: Fino all’Anno Accademico 1999/2000 ha operato come professore a tempo
definito, svolgendo, oltre all’attività universitaria, attività di libera professione quali progettazione, direzione lavori e collaudo di impianti elettrici di energia e speciali a favore di enti
pubblici (tra i quali l’Università di Bologna) e privati. Da tale attività professionale svolta per
decenni, è derivata, almeno in parte, l’impostazione dei corsi di “Impianti Elettrici L” e di "
Metodologie di Progettazione degli Impianti Elettrici", corsi mirati a fornire agli allievi, oltre
alle usuali conoscenze acquisibili in letteratura, anche quelle di tipo teorico-pratico necessarie ad un futuro ingegnere elettrico per affrontare le multiformi problematiche di un'attività di tipo professionale.
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3. Personale
Lorenzo Peretto
Contatti:
Tel: +39-051-20-93483, Fax: +39-051-20-9588
Notizie biografiche: Nato a Lendinara (RO) nel 1968, nel 1993 si laurea in Ingegneria
Elettronica presso l’Università di Bologna; nell’anno successivo è abilitato alla professione
di Ingegnere. Nel 1997 consegue il titolo di Dottore di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica.
Nel 1998 diventa ricercatore universitario nel SSD Misure Elettriche ed Elettroniche presso
il Dipartimento di Ingegneria Elettrica. Consegue l’idoneità a Professore Associato nello
stesso SSD nel 2001 ed assume servizio nel nuovo ruolo nel gennaio 2004.
Attività didattica: Dal 1996 svolge attività didattica e seminari presso l’Università di Bologna e sedi decentrate afferenti al settore scientifico disciplinare ING-INF/07. Dall’A.A.
1996/1997 fino all’A.A. 2003/2004 ha svolto il corso di Strumentazione Elettronica per il
D.U. e i CdL dell’area dell’Informazione presso la seconda Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bologna, sede di Cesena. Dall’ A.A. 2005/2006 svolge il corso di
Qualità ed Affidabilità di sistemi per ICT per i CdL in Ingegneria Elettronica, Informatica e
delle Telecomunicazioni, sempre nella sede di Cesena. Dall’A.A. 2002/2003 svolge il corso di Affidabilità e Controllo di Qualità per i CdL in Ingegneria Elettronica, Informatica, delle Telecomunicazioni e dell’Automazione presso la Facoltà di Ingegneria di Bologna e dall’A.A. 2004/2005 svolge anche il corso di Laboratorio di Affidabilità e Controllo di Qualità,
sempre per i medesimi CdL; nell’A.A. 2002/2003 ha svolto il corso di Misure per la Sicurezza per il CdL in Ingegneria Elettrica; e di Statistica Applicata alle Misure ed al Controllo
di Qualità, per il CdL in Ingegneria Elettronica.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca del Prof. Peretto è stata ed è condotta su diversi
settori: i) misure per la qualità dell’energia elettrica; ii) analisi dei segnali in regime periodico e quasi-periodico; iii) caratterizzazione di trasduttori di tensione e corrente; iV) analisi
della propagazione delle incertezze attraverso gli algoritmi di misura, V) studio e verifica
dell’affidabilità di componenti e sistemi elettronici. Per il settore i) l’attività è stata rivolta alla definizione di indici per la valutazione della qualità dell’energia elettrica e allo studio di
nuove metodologie per la caratterizzazione del flicker luminoso; per il settore ii) essa è stata orientata allo studio di nuove tecniche analitiche per la caratterizzazione di segnali in regime multitono e alla ricostruzione di segnali su lunghi intervalli di tempo in presenza di un
numero molto limitato di campioni acquisiti; per il settore iii) l’attività è consistita nella proposta di tecniche analitiche e strumenti dedicati alla caratterizzazione metrologica di trasduttori di corrente e tensione; per il settore di ricerca iV sono state sviluppate delle espressioni analitiche per la valutazione delle incertezze nelle misure con strumentazione a
campionamento; infine l’attività di ricerca relativa all’area V) è consistita nello studio e applicazione di tecniche analitiche per la previsione dell’affidabilità di componenti e sistemi
elettronici partendo dal loro modello di fenomeni di degradazione e utilizzando programmi
di calcolo dedicati. Il Prof. Peretto è Senior Member dell’IEEE dal 2003 e membro dei comitati tecnici del CEI 56 “Fidatezza” e 85 “Strumenti di misura delle grandezze elettromagnetiche”. E’ autore e coautore di oltre 100 pubblicazioni scientifiche di cui più di 50 su riviste nazionali ed internazionali.
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3. Personale
Ugo Reggiani
Contatti:
Tel: +39-051-20-93580, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://emc.ing.unibo.it
Notizie biografiche: Si laurea con lode in Ingegneria Elettrotecnica all'Università degli
Studi di Bologna nel 1969. Nel 1970 entra come borsista ministeriale nell’Istituto di Elettrotecnica dell’Università di Bologna. Assistente presso il medesimo Istituto nel 1971, professore incaricato presso l’Università di Ancona nel 1974 e nella Facoltà di Ingegneria
dell’Università di Bologna nel 1976. Dal 1980 è professore straordinario di Elettrotecnica
nell’Università di Bologna e ordinario dopo il triennio. E' stato Direttore dell'Istituto di Elettrotecnica dell’Università di Bologna dal 1989 al 1995, e del costituito Dipartimento di Ingegneria Elettrica della stessa Università dal 1995 al 2001. E' stato coordinatore del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica con sede amministrativa presso l'Università di
Bologna dal 1988 al 1998. Dall’A.A. 2002/03 è Presidente del Consiglio dei Corsi di Laurea e Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica.
Attività didattica: Come professore prima incaricato e successivamente di ruolo ha svolto
i corsi di Elettronica Industriale (CdL in Ingegneria Elettronica dell’Università di Ancona) ed
Elettrotecnica II (CdL in Ingegneria Elettrotecnica ed in Ingegneria Elettronica
dell’Università di Bologna). Per il CdL in Ingegneria Elettrotecnica/Elettrica dell’Università
di Bologna, dall’A.A. 1983/84 all’A.A. 2000/01, ha tenuto l’insegnamento di Elettrotecnica I
(denominato poi Principi di Ingegneria Elettrica ed infine Principi di Ingegneria Elettrica I).
Ha pure svolto il corso di Compatibilità Elettromagnetica Industriale dall’A.A. 2000/01
all‘A.A. 2002/03. Con l’entrata in vigore del Nuovo Ordinamento ha tenuto per Corsi di
Laurea e Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrica gli insegnamenti di Compatibilità
Elettromagnetica L e Complementi di Elettrotecnica LS ed attualmente tiene i corsi di Fondamenti di Elettrotecnica L ed Elettromagnetismo Applicato LS. Inoltre, dall’A.A. 1990/91 è
professore supplente di Elettrotecnica presso la Facoltà di Ingegneria – Sede di Modena –
dell'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca inizia nel 1970 con uno studio teorico–sperimentale
su celle a combustibile ad idrogeno–ossigeno. Successivamente l’attività scientifica ha riguardato principalmente il controllo in frequenza dei motori asincroni, la teoria del campo
elettromagnetico, i metodi di analisi e di sintesi di sistemi elettromagnetici ed elettromeccanici, i circuiti a topologia variabile, la modellistica ad alta frequenza di componenti circuitali,
la caratterizzazione elettrica di sorgenti rinnovabili di energia elettrica. Da diversi anni il filone principale di ricerca è costituito dalla compatibilità elettromagnetica (EMC): schermatura elettromagnetica, disturbi condotti ed irradiati da convertitori statici, emissioni irradiate
da cavi e circuiti stampati, accoppiamenti elettromagnetici in ambiente risonante, ambienti
di misura compatti per prove EMC. E’ responsabile dell'Unità di Ricerca di Bologna del
Gruppo di Coordinamento Nazionale di Elettrotecnica.
Altre attività: E’ membro del Comitato Direttivo del Gruppo Tematico Formazione e Professione dell’Associazione Scienze e Tecnologie per la Ricerca e l’Industria (ASTRI) della
Federazione Italiana AEIT. E’ stato Tutor del Piano “Compatibilità Elettromagnetica” Cluster 13, finanziato dal MIUR.
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3. Personale
Pier Luigi Ribani
Contatti:
Tel: +39-051-20-93574, Fax: +39-051-20-93588
Notizie biografiche: Nato a Bologna nel 1957, nel 1982 si laurea (con lode) in Ingegneria
Nucleare presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione di
Ingegnere. Dal 1987 al 1990 è tecnico laureato presso l'Istituto di Elettrotecnica dell'Università di Bologna. Dal 1990 al 1998 è ricercatore universitario di Elettrotecnica presso l'Istituto di Elettrotecnica/Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Bologna. Dal
1998 è professore associato presso lo stesso Dipartimento.
Attività didattica: Dal 1987 al 1990 svolge attività di supporto ai corsi di Elettrotecnica ed
Elementi di Fisica ed Ingegneria dei plasmi per i Corsi di Laurea in Ingegneria Nucleare,
Gestionale ed Elettrica. Dal 1994 tiene, per supplenza o per incarico istituzionale, il corso
di Elettrotecnica/Elettrotecnica L per i Corsi di Laurea/Corsi di Studio in Ingegneria per
l'Ambiente ed il Territorio, Ingegneria Informatica ed Ingegneria Gestionale. E' membro del
Collegio dei Docenti del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica dell'Università di
Bologna.
Attività di ricerca: L'attività di ricerca che è stata svolta interamente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna si può inquadrare in tre principali
tematiche: magnetofluidodinamica applicata, modelli numerici per campi e circuiti, superconduttività applicata. Attualmente la maggior parte dell'attività di ricerca si svolge nell'ambito del Laboratorio di Superconduttività Applicata del Dipartimento. Particolare importanza hanno le applicazioni alle ricerche per la fusione termonucleare controllata (FTC)
ed alle reti elettriche di potenza. L'attività inerente la FTC si svolge in collaborazione con
EFDA (European Fusion Development Agreement), con la Divisione Superconduttività
dell'ENEA di Frascati, con il Politecnico di Torino e con l'Università di Udine ed ha come
principale argomento la modellazione dei magneti superconduttori che verranno utilizzati
in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). L'attività inerente le applicazioni nelle reti di potenza si svolge in collaborazione con il gruppo di Superconduttività di
CESI Ricerca e con Ansaldo Superconduttori ed ha come principale obiettivo la modellazione e lo sviluppo di numerosi componenti superconduttivi quali i limitatori di corrente e gli
SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage Systems).
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3. Personale
Mario Rinaldi
Professore Ordinario, ING-INF/07
Contatti:
Tel: +39-051-20-93480, Fax: +39-051-20-93470
Notizie biografiche: nato a Bologna il 9.12.1936. Laurea in Ingegneria Elettronica ed in
Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università di Bologna. “Master” in Organizzazione
Aziendale presso il CUOA dell’Università di Padova. Abilitazione alla professione di ingegnere. Assistente volontario presso il corso “Programmazione” dal 1.2.1964 al 30.6.1964.
Assistente incaricato presso la cattedra di Misure Elettriche della Facoltà di Ingegneria della Università di Bologna dal 1.7.1964. Assistente ordinario dal 1.11.1965. Professore straordinario di “Misure Elettriche” dal 1.11.1980 nella stessa Facoltà, professore ordinario dal
1.11.1983.
Attività didattica: Corso “Misure elettriche” presso la Facoltà di Chimica Industriale negli
Anni Accademici (AA) 1971/72 e 1972/73; corso “Tecnologie elettroniche” dall’AA 1971/72
all’AA 1974/75 del corso di laurea (CdL) in Ingegneria Elettronica; corso “Strumentazione
e regolazione degli impianti” del CdL in Ingegneria Elettrotecnica dall’AA 1974/75 all’AA
1975/76; corso “Misure Elettriche” del CdL in Ingegneria Elettrotecnica dall’AA 1976-77
all’AA 1979/80; corso “Misure Elettriche”, divenuto poi “Misure Elettroniche”, del CdL in Ingegneria Elettronica dall’AA 1980/81 a tutt’oggi; corso “Affidabilità, controllo e gestione
della qualità” del CdL in Ingegneria Gestionale dall’AA 1994/95.
Corso “Tecniche strumentali” nella scuola di specializzazione in Tecnologie Biomediche
della Facoltà di Medicina e Chirurgia dall’AA 1975/76 all’AA 1983/84.
Direttore del corso di perfezionamento in direzione aziendale e docente di “Gestione aziendale” nello stesso dal 1987/88 all’AA 2000/01. Direttore del master “Integrazione dei
sistemi informatici” e docente del corso “Processo di creazione del valore” dal 2004.
Docente, come “visiting professor”, presso l’Università della Florida negli insegnamenti
“Digital Control System” e “ Electronics, System and Instrumentation” nel 1990.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca, essenzialmente sperimentale, è stata svolta e si
svolge nei seguenti settori: misurazioni a distanza; strumentazione di misura; progetta-zione e realizzazione di dispositivi per la misura per via elettrica di grandezze elettriche e non
elettriche; prove per la valutazione del comportamento in esercizio dei condensatori elettrici; rilevazione e controllo di contenuti armonici nei convertitori elettrici di potenza.
Altre attività: Membro del Comitato 07 per le Scienze di Ingegneria ed Architettura. Esperto ministeriale per la valutazione dei progetti di ricerca industriale. Pro-Rettore vicario
della Università di Bologna dall’AA 1985/86 all’AA 1995/96. Presidente del Gruppo Nazionale “Misure elettriche ed elettroniche” dal 1984 al 1988. Presidente del CINECA. Membro
del Consiglio Generale del CEI. Membro dei Consiglio Direttivo dell’IMQ. Membro della
Commissione Superiore Tecnica del CEI; membro del CT 33 e del CT 301 del CEI. Membro dell’Executive Board della European Science Foundation. Convenor del Advisory
Group D1-05 della CIGRE Former Member di numerose commissioni, comitati e progetti
CNR. Membro del “Advisory Committee on Scientific and Technical Training” della Commissione delle Comunità Europee” nel quadriennio 1977-80.
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3. Personale
Claudio Rossi
Contatti:
Tel: +39-051-20-93564 Fax: +39-051-20-93588
sito web: www.die.unibo.it
Notizie biografiche: Nato a Forlì nel 1971, nel 1997 si laurea in Ingegneria Elettrica presso l’Università di Bologna; nello stesso anno è abilitato alla professione di Ingegnere. Nel
2001 consegue il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica. Dal 2000 è ricercatore
di ‘Convertitori Macchine ed Azionamenti Elettrici’ presso il Dipartimento di Ingegneria
Elettrica. Nel 2004 è visiting researcher presso il centro ricerche di APC – American Power
Conversion – Kolding (Danimarca).
Attività didattica: Dal 1998 ha svolto attività didattica integrativa e seminari presso
l’Università di Bologna e sedi limitrofe per i corsi di Conversione Statica dell’Energia, Azionamenti Elettici, Dinamica degli Azionamenti Elettrici, Applicazioni Industriali Elettriche.
Dall’ A.A. 2003/2004 svolge il corso di Conversione Statica dell’Energia, presso il CdL
specialistica in Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. Tiene inoltre, corsi di formazione professionale nel settore dell’elettronica di potenza, azionamenti elettrici ed automazione industriale.
Attività di ricerca: L’attività di ricerca è rivolta al settore dei sistemi elettronici di potenza
per il controllo di macchine elettriche e per il controllo dei flussi di potenza tra sistemi elettrici. In questi ambiti si occupa dello sviluppo sia di strutture hardware che di algoritmi di
controllo. Svolge la propria attività sperimentale all'interno del LEMAD (Laboratorio di Macchine ed Azionamenti Elettrici) del DIE.
Le principali attività di ricerca ed i settori a cui si rivolgono sono:
− Azionamenti e convertitori per la trazione elettrica, la trazione ibrida e la propulsione
navale diesel-elettrica.
− Sistemi di conversione statica per l'estrazione di potenza da: pannelli fotovoltaici,
generatori eolici, gruppi termico-elettrico.
− Sistemi diagnostici per azionamenti di generazione eolica.
Tra i dispositivi sviluppati si citano i convertitori multilivello nella configurazione dual twolevel e gli azionamenti con macchine sincrone a rotore avvolto entrambi per applicazioni
di trazione.
E' inventore di un azionamento per trazione elettrica il cui brevetto è depositato in Italia ed
all’estero nel 2004.
Fa parte del LARER – Laboratorio di Automazione della Regione Emilia Romagna.
Fa parte di ERG – Laboratorio di Energia della Regione Emilia Romagna.
Altre attività: Progettazione di macchine automatiche ad alto contenuto di funzionalità di
controllo del moto. Progettazione, prototipazione ed industrializzazione di convertitori elettronici ed azionamenti elettrici per applicazioni industriali ed automotive.
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3. Personale
Leonardo Sandrolini
Contatti:
Tel: +39-051-20-93484, Fax: +39-051-20-93484
sito web: http://emc.ing.unibo.it/
Notizie biografiche: Laureatosi con lode in Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università
degli Studi di Bologna nel 1995, consegue nello stesso anno l’abilitazione alla professione
di Ingegnere. Dal 1996 al 1997 si trasferisce a Londra, Regno Unito, dove lavora presso
Balli Trading Limited. Nel 2000 consegue il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università degli Studi di Bologna. Ottiene una borsa post-dottorato dall’Università degli Studi di Bologna dal 1999 al 2001, anno nel quale diviene ricercatore universitario del settore ING-IND/31, afferendo al Dipartimento di Ingegneria Elettrica della
stessa università. Nel 2002 è visiting scholar presso The School of Electrical and Electronic Engineering, Università di Nottingham, Regno Unito. Dal 2004 è ricercatore universitario confermato. È membro dell’Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc.
(IEEE) dal 2000, della Giunta del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dal 2001, e della
Commissione Tirocinio dei Corsi di Studi in Ingegneria Elettrica dal 2004.
Attività didattica: Ha svolto esercitazioni ed attività didattica integrativa nell'ambito dei
corsi di Compatibilità Elettromagnetica Industriale e Compatibilità Elettromagnetica e Laboratorio L (CdL Ingegneria Elettrica) dell'Università degli Studi di Bologna dal 2000 al
2004, dei corsi Elettrotecnica VOD (CdL Ingegneria Elettronica ed Ingegneria Informatica)
ed Elettrotecnica A NOD (CdL Ingegneria Meccanica) della Facoltà di Ingegneria - Sede di
Modena - dell'Università di Modena e Reggio Emilia dal 2000 al 2002. Per conferimento
mediante supplenza ha tenuto: presso l’Università degli Studi di Bologna, dall’A.A. 20042005 l’insegnamento Compatibilità Elettromagnetica e Laboratorio L (CdL Ingegneria dell’Automazione ed Ingegneria Elettrica); presso la Facoltà di Ingegneria - Sede di Modena –
dell'Università di Modena e Reggio Emilia, nell’A.A. 2004-2005 Elettrotecnica A (CdL Ingegneria Meccanica); nell'A.A. 2003-2004, Elettrotecnica A IEI, (CdL Ingegneria Informatica
IEI - Ingegneria Esercito Italiano) e Complementi di Elettrotecnica IEI (CdL Ingegneria
delle Telecomunicazioni IEI); nell'A.A. 2002-2003, Elettrotecnica C IEI (CdL IEI).
Attività di ricerca: L’attività di ricerca è stata svolta dal 1997 ad oggi, articolandosi prevalentemente nelle tematiche relative alla compatibilità elettromagnetica (metodi e tecniche
di schermatura elettromagnetica, disturbi irradiati da convertitori statici, modellistica e
metodi per il calcolo delle emissioni irradiate da cavi e circuiti stampati, previsione di accoppiamenti elettromagnetici in ambiente risonante, ambienti di misura compatti per prove
EMC), alla modellistica mediante l'approccio della teoria dei campi e dei circuiti (caratterizzazione elettrica di sorgenti rinnovabili di energia elettrica), ai metodi analitici e numerici
per lo studio dei campi.
Altre attività: Nel 2000 e 2001 ha ottenuto finanziamenti nell'ambito del sistema di finanziamento ministeriale "Progetto Giovani Ricercatori". È stato tutor scientifico di un progetto
finanziato nel 2003 dal consorzio Spinner (Servizi per la Promozione dell'INNovazione e
della Ricerca), promosso dalla Regione Emilia Romagna nell'ambito della Sovvenzione
Globale dell'Unione Europea.
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3. Personale
Giovanni Serra
Contatti:
Tel: +39-051-20-93582, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/gs.htm
Notizie biografiche: Laureato con lode in Ingegneria Elettrotecnica presso l’Università di
Bologna nel 1975, è borsista CNR presso l’Istituto di Elettrotecnica dell’Università di Bologna nel 1976, poi Ricercatore Universitario nel 1980 e Professore Associato di “Costruzioni Elettromeccaniche” nel 1987. Nell’anno 2000 ha conseguito l’idoneità scientifica per il
posto di Professore Ordinario nel S.S.D. ING-IND/32 Convertitori, Macchine e Azionamenti
Elettrici. Chiamato nel 2001 dalla Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna come
Professore Straordinario, è ora Professore Ordinario presso la stessa Facoltà.
Attività didattica: Nel corso degli anni è stato membro del Consiglio di Corso di Laurea in
Ingegneria Elettrotecnica, Elettrica, Nucleare e Meccanica. E’ membro del Collegio dei Docenti del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica. Ha svolto e svolge attività didattica nelle due Facoltà di Ingegneria di Bologna e presso l’Università di Modena e Reggio
Emilia nei Corsi di Costruzioni Elettromeccaniche, Macchine Elettriche, Conversione Statica dell'Energia, Azionamenti Elettrici, Didattica di Macchine ed Azionamenti Elettrici. Ha
organizzato e svolto attività didattica in Tutorial nell’ambito delle Conferenze Internazionali
IECON, ISIE ed EPE in Portogallo, Louisiana, South Africa, Germania, Francia, e Polonia.
E’ stato docente in Corsi Specialistici in Giornate di Studio ed in Seminari.
Attività di ricerca: E’ autore di 120 memorie scientifiche in gran parte pubblicate su Riviste e Atti di Congressi internazionali, riguardanti le macchine e gli azionamenti elettrici. In
particolare, le principali tematiche trattate comprendono: tecniche di modulazione dei convertitori elettronici di potenza, convertitori diretti ac-ac del tipo a matrice, azionamenti per
trazione elettrica, tecniche per il controllo diretto di coppia dei motori ad induzione, motori
asincroni rotanti e lineari, motori sincroni a magneti permanenti, attuatori tubolari brushless
e passo-passo, azionamenti Direct-Drive, macchine elettriche di tipo polifase, inverter
multilivello e multifase.
Altre attività: Responsabile Scientifico in Contratti di Ricerca fra l'Università degli Studi di
Bologna ed Aziende operanti nei settori dell’elettronica di potenza e dell’elettromeccanica,
su temi riguardanti i motori lineari per l’automazione, gli azionamenti per trazione, i motori
brushless per applicazioni gearless ed i motori asincroni. Responsabile Scientifico, inoltre,
in programmi di Ricerca finanziati con fondi ministeriali. Ha partecipato a Contratti di Ricerca con Aziende ed ai programmi di Ricerca COFIN, UTILIS, INCO-COPERNICUS,
C.N.R-P.F.T. 2, Ateneo di Bologna. E’ membro di Comitati Organizzatori di Conferenze
internazionali e “Technical Reviewer” per IEEE Transactions ed altre Riviste Scientifiche
internazionali. Senior Member IEEE, membro IEEE Industry Applications Society, Membro
IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society, Membro A.E.I.T. ed iscritto all’Ordine
degli Ingegneri della Provincia di Bologna.
E’ stato membro del Comitato di gestione del Centro di Calcolo della Facoltà di Ingegneria
di Bologna e della giunta del Dipartimento di Ingegneria Elettrica.
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3. Personale
Angelo Tani
Contatti:
Tel: +39-051-20-93565, Fax: +39-051-20-93588
sito web: http://www.die.ing.unibo.it/pers/tani/angelo.htm
Notizie biografiche: nato a Faenza (RA) il 4 novembre 1963, consegue la Maturità
presso l'Istituto Tecnico Industriale di Forlì, nel luglio 1982, con la votazione di 54/60. Si
laurea (con lode) in Ingegneria Elettrotecnica il 5 ottobre 1988 presso l’Università degli
Studi di Bologna. Abilitato all’esercizio della professione di Ingegnere nella seconda sessione dell'anno 1989, il 15 marzo 1990 prende servizio, come Ricercatore Universitario per
il gruppo di discipline n. 128 (Macchine Elettriche), presso l’Istituto di Elettrotecnica della
Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna. Dal 01 gennaio 1996 afferisce al Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna. Il
19 aprile 2004 prende servizio come Professore Associato del settore scientifico-disciplinare ING-IND/32 (Convertitori, Macchine e Azionamenti Elettrici).
Attività didattica: ha svolto attività didattica integrativa presso l’Università di Bologna per i
corsi di Azionamenti Elettrici, Macchine Elettriche e Modellistica dei Sistemi Elettromeccanici. Dall’A.A. 1995/1996 svolge il corso di Modellistica dei Sistemi Elettromeccanici e
dall’A.A. 2003/2004 il corso di Attuatori Elettrici, entrambi del CdS in Ingegneria Elettrica
dell’Università di Bologna. Dall’A.A. 2004/2005 svolge il corso di Conversione Elettromeccanica dell’Energia del CdS in Ingegneria Energetica e dall’A.A. 2005/2006 il corso di
Azionamenti Elettrici del CdS in Ingegneria Meccanica (sede di Forlì).
Attività di ricerca: l’attività di ricerca riguarda la conversione elettrica ed elettromeccanica
dell’energia ed ha portato a più di 70 pubblicazioni su riviste e su atti di convegni internazionali. I principali argomenti trattati sono la modellistica dei sistemi elettromeccanici, lo
studio di macchine elettriche speciali, gli azionamenti ad elevate prestazioni per macchine
asincrone, la conversione diretta ac/ac mediante convertitori a matrice, i sistemi a levitazione magnetica per trasporti ad alta velocità e le tecniche di modulazione per inverter trifase. I temi di ricerca attuali riguardano lo sviluppo di tecniche di modulazione per inverter
multilivello ed inoltre la modellistica e lo sviluppo di azionamenti di grande potenza ed elevate prestazioni basati su macchine e convertitori di tipo polifase.
39
3. Personale
Luca Zarri
Contatti:
Tel: +39-051-20-93572, Fax: +39-051-20-93941
e-mail: [email protected] ([email protected])
Notizie biografiche: Nasce a Bologna nel 1972. Tra il 1990 e il 1992 lavora come programmatore freelance per alcune aziende di livello nazionale e internazionale. Nel 1998
consegue la laurea con lode in Ingegneria Elettrica - indirizzo automazione industriale –
presso l'Università di Bologna. A partire dallo stesso anno comincia la collaborazione con il
Dipartimento di Ingegneria Elettrica in qualità di titolare di assegno di ricerca. Conseguita
l'abilitazione all'esercizio della libera professione, dal 1999 è iscritto all'Albo degli Ingegneri
di Bologna. Dal 1999 al 2002 lavora presso un società di servizi di ingegneria con mansioni di progettazione e direzione lavori di impianti tecnologici meccanici, elettrici e speciali,
prevalentemente in appalti di grandi dimensioni. Nel 2003 prende servizio come ingegnere
di laboratorio presso il Laboratorio di Macchine ed Azionamenti Elettrici del Dipartimento di
Ingegneria Elettrica di Bologna. A partire dal 2005 è Ricercatore presso il medesimo Dipartimento con afferenza al settore scientifico-disciplinare ING-IND/32 (convertitori, macchine ed azionamenti elettrici).
Attività didattica: Nell'anno accademico 2001-2002, L'Ing. Zarri è risultato vincitore di una
selezione indetta dalla Facoltà di Ingegneria per l'affidamento a contratto di attività di supporto alla didattica relative al corso di Macchine Elettriche. A partire dal 2002 svolge regolarmente esercitazioni teorico-pratiche inerenti i corsi di Macchine Elettriche, Azionamenti
Elettrici e Dinamica degli Azionamenti Elettrici.
Attività di ricerca: L'attività di ricerca si è concentrata prevalentemente su temi inerenti la
conversione statica e il controllo sensorless di macchine asincrone. In particolare sono
state studiate leggi ottimizzate di modulazione per convertitori statici convenzionali (voltage source inverter), per convertitori a matrice e per convertitori avanzati (multilivello e polifase). E' stato inoltre approfondito lo studio della stabilità di sistemi basati su convertitore
a matrice. Nel campo degli azionamenti, l'attività di ricerca si è focalizzata sul controllo
diretto di coppia (DTC) e sul controllo vettoriale di motori a induzione. Inoltre, sono stati
sviluppati algoritmi robusti di controllo per motori operanti ad elevata velocità, per applicazioni industriali e per trazione elettrica. Attualmente l'attività di ricerca riguarda la progettazione di attuatori tubolari a magneti permanenti. L'Ing. Zarri è autore di numerose pubblicazioni scientifiche presentate in riviste o congressi internazionali. Inoltre svolge attività di
revisione per le riviste scientifiche internazionali IEEE Trans. on Power Electronics e IEEE
Trans. on Industrial Electronics.
Altre attività: L'Ing. Zarri svolge presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica collaudi di
motori elettrici. Si occupa inoltre di progettazione di impianti elettrici, reti dati ed impianti
speciali, sia in ambito civile che industriale, e di sistemi di building automation.
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4. Biblioteca
4. BIBLIOTECA
Indirizzo: Facoltà di ingegneria,
Dipartimento di ingegneria elettrica
Viale Risorgimento 2, 40136 - Bologna
Orario di apertura: Dal lunedì al venerdì
dalle ore 9:30 -13:30.
La biblioteca rimane aperta anche dalle
13:30 alle 14:30 ma non sono garantiti
tutti i servizi al pubblico.
4.1 PERSONALE
Direttore: Prof. Domenico Casadei
Tel.: +39-051-2093567
Responsabile scientifico: Prof. Carlo Angelo Borghi
Tel: +39-051-2093566
Responsabile tecnico: Sig.ra Silvia Verri
Tel.: +39-051-2093593-91
Risorse:
Numero totale di volumi: 4848
Riviste: 427
Riviste attive: 48
La Biblioteca DIE è nata nel 1996, insieme al Dipartimento, dalla fusione delle Biblioteche
dell'Istituto di Elettrotecnica e dell'Istituto di Elettrotecnica Industriale.
È specializzata negli ambiti disciplinari della elettrotecnica, misure elettriche ed elettroniche, macchine, convertitori, azionamenti elettrici, sistemi elettrici per l'energia.
4.2 SERVIZI
Consultazione: Consultazione in sede di tutto il materiale. La sede prevede circa 20 posti
a sedere ed una postazione computer a disposizione degli utenti dalla quale è possibile
consultare i cataloghi e le altre risorse on-line.
Prestito: Prestito consentito per le sole monografie (massimo 2 volumi per 15 gg.), ma esiste comunque la possibilità di prenotare i libri richiesti qualora fossero non disponibili al
momento della richiesta. Esiste inoltre la possibilità di rinnovare nuovamente il prestito, se
non richiesto da nessun’altro. Prestito per le riviste giornaliero, con rilascio di un documento valido per tutta la durata del prestito.
Document Delivery, Inter-Library Loan: I servizi di prestito interbibliotecario e document
delivery sono rivolti alle sole biblioteche pubbliche e sono gestiti esclusivamente in regime
di reciproco scambio gratuito. Le richieste possono essere inviate tramite fax al numero
051-20-93588 oppure tramite e-mail all’indirizzo: [email protected].
41
4. Biblioteca
4.3 RIVISTE DISPONIBILI
Riviste italiane
- Automazione e strumentazione (Mensile)
Posseduto: 1964-1967; 1974;1984-1986;
1991-1992; 1994-2006
- Economia delle scelte pubbliche
(Quadrimestrale)
Posseduto: 2001-2005
- Economia pubblica (Bimestrale)
- Economia: Società ed Istituzioni
(Quadrimestrale)
Posseduto: 1989-1995; 1998; 2000-2005
- Energia (Trimestrale)
Posseduto: 1980-1988; 1991-2006
- Impiantistica italiana (Bimestrale)
- Rivista di Diritto finanziario e scienza delle finanze (Trimestrale)
Posseduto: 1956; 1957; 1988-2005
- Le Scienze: Edizione italiana di Scientific American (Mensile)
Posseduto: 1969; 1972-1983; 1985; 1987-1990; 1994-1997; 1999-2006
- La Termotecnica (Mensile)
Posseduto: 1994-1996; 1999-2005
- Tuttonormel (Mensile)
Riviste straniere
- Electromotion (Trimestrale)
- EPE Journal: European power electronics and drivers (Trimestrale)
- ETEP: European Transactions on Electrical Power (Bimestrale)
Posseduto: 1996-1997; 1999-2006
- Meetings on atomic energy (Trimestrale)
Posseduto: 1977; 1979-1983; 1985-1987; 1989-2006
- MPT: Metallurgical Plant and technology international
(bimestrale)
- Modern Power Systems (mensile)
- Power (Bimestrale)
Posseduto: 2000; 2001; 2004-2005
- Power engineering (Mensile)
Posseduto: 1977-2000; 2002-2006
- Revue de l’energie (Bimestrale)
Posseduto: 1974-1987; 1989-2006
- Superconductor week (Settimanale)
42
4. Biblioteca
Riviste on-line
Sono abilitati al servizio tutti gli utenti che si collegano dalle postazioni connesse alla rete
dell'Ateneo di Bologna.
L’accesso ad esse avviene quindi mediante
riconoscimento dell’indirizzo IP.
L'accesso al testo pieno delle riviste, degli
atti di convegno e degli standard dell'Institute of electrical and electronics engineers
avviene tramite il sito IEEExplore.
La maggior parte delle riviste e' disponibile
in formato elettronico a partire dal 1988, con
crescenti presenze di materiali degli anni
precedenti. Il servizio consente l'interrogazione dell'intera banca dati per autore, titolo,
parola chiave e altri campi del record bibliografico di ciascun articolo.
- Compel (Trimestrale)
Posseduto: 1986; 1999-2005
- Cryogenics (Mensile)
Posseduto: 1960-1980; 1982-2006
- Electromagnetics
Posseduto: 1988; 1992-2006
- Energy conversion and management (Mensile)
Posseduto: 1980-1983; 1985-2005
- International journal of electrical power & energy systems
- Journal of electrostatics (Mensile)
- Journal of Plasma physics (Mensile)
Posseduto: 1974-1976; 1986-2006
- Nuclear Fusion (Mensile)
Posseduto: 1970; 1974-1977; 1979-1983; 1985-2006
- Plasma devices and operations (Trimestrale)
Posseduto: 1990-1992; 1994-2006
- Superconductor science and technology (Mensile)
- IEEE
Di quest’ultima si hanno anche alcuni abbonamenti cartacei disponibili per la consultazione; riportiamo alcuni tra i
più importanti:
-
Transactions on Industrial Electronics
Transactions on Power Electronics
Transactions on Instrumentation and Measurements
Transactions on Engineering Management
Transactions on Electromagnetic Compatibility
Transactions on Magnetics
Transactions on Industry Applications
Transactions on Circuits & Systems
43
44
5. Didattica
5. DIDATTICA
Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica contribuisce alla didattica in corsi di Laurea, Laurea
specialistica, Master e Dottorato di Ricerca. Caratteristica peculiare è quella di offrire insegnamenti che interessano tutti e tre i settori dell’ingegneria: industriale, dell’informazione e
civile-architettura. Ospita inoltre studenti italiani e stranieri per tirocini e stage. In particolare, con riferimento ai programmi Socrates-Erasmus, i Docenti del DIE hanno rapporti di
scambio studenti con le seguenti Università consorziate con l’Ateneo di Bologna.
Aalborg University – Denmark
Odense University College of Engineering – Denmark
Universidad de Zaragoza – Spain
Universitè de Picardie Jules Verne – Amiens/France
Ecole Superieure d’Ingenieurs de Marseille – France
Budapest University of Technology – Hungary
Norwegian University of Science and Technology – Norway
Universitè de Liege – Belgium
Universidad Pontificia Comillas de Madrid – Spain
Universidade Tecnica de Lisboa – Portugal
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne – Suisse
Eidgenossische Technische Hochschule (ETH) Zurich – Suisse
Universitatea tehnica „Gh. Asachi“ /IASI - Romania
Corsi di Laurea in Ingegneria Elettrica
Il Dipartimento tradizionalmente ospita la Presidenza del Consiglio di Corso di Studio in Ingegneria Elettrica, al quale fanno capo gli omonimi Corsi di Laurea triennale e specialistica. E’ importante sottolineare come l’Università di Bologna sia l’unica nelle Regioni Emilia
Romagna e Marche ad offrire Corsi di Laurea in Ingegneria Elettrica, il che giustifica i numerosi studenti provenienti da queste aree geografiche.
L’organizzazione interna del Consiglio di Corso di Studio in Ingegneria Elettrica è attualmente la seguente: (per ulteriori dettagli si rimanda al sito web: http://www.elettrica.ing.unibo.it)
Presidente:
Prof. Ugo Reggiani
Segretario:
Prof. Gabriele Grandi
Commissione trasferimenti
e piani di studio:
Prof. U. Reggiani
Prof. C.A. Borghi
Prof. G. Grandi
Commissione di Tirocinio:
Prof. G. Serra (Presidente)
Prof. G. Pasini
Prof. G. Mazzanti
Ing. L. Sandrolini
Ing. M. Paolone
L’impegno didattico dei Docenti del Dipartimento è rilevante anche per quanto riguarda i
Corsi di Studio in Ingegneria dell’Automazione ed Ingegneria Energetica, di più recente costituzione.
Gli insegnamenti nei settori dell’ingegneria elettrica sono spesso caratterizzati da una
stretta correlazione con le applicazioni. Per questo motivo il Dipartimento si è dotato di un
Laboratorio Didattico dedicato, che ospita le esercitazioni di diversi corsi afferenti al DIE
e/o ai Corsi di Studio in Ingegneria Elettrica. Per una più dettagliata descrizione del Laboratorio Didattico del DIE si rimanda alla successiva sezione 5.2.
45
5. Didattica
5.1 CORSI DI LAUREA E LAUREA SPECIALISTICA
Viene riportato nel seguito l’elenco degli insegnamenti attivi presso corsi di Laurea e Laurea Specialistica dell’Università di Bologna la cui copertura nell’A.A. 2005/2006 è a carico
di docenti che afferiscono al DIE.
INSEGNAMENTI
SSD
Affidabilità, controllo e gestione della qualità L
ING-INF/07
Affidabilità e controllo di qualità LA
ING-INF/07
Affidabilità e statistica per i sistemi elettrici L
Attuatori elettrici L
ING-IND/33
ING-IND/32
Azionamenti elettrici L
ING-IND/32
Azionamenti elettrici L (sede di Forlì)
Calcolo di campi elettrici e magnetici LS
Centrali elettriche
Circuiti elettrici L
Circuiti elettronici di potenza L
Compatibilità elettromagnetica e laboratorio L
Compatibilità elettromagnetica LS
Componenti e tecnologie elettriche L
Conversione elettromeccanica dell’energia L
Conversione statica dell’energia LS
Costruzioni elettromeccaniche L
Dinamica degli azionamenti elettrici LS
Elementi di elettrotecnica LS
Elementi di impianti e sicurezza elettrica LS
Elementi di sistemi elettrici per l’energia L
Elettromagnetismo applicato LS
Elettrotecnica industriale L
Elettrotecnica L
Elettrotecnica L
Elettrotecnica L
Elettrotecnica L
Elettrotecnica L (sede di Forlì)
Elettrotecnica LA
Elettrotecnica LA
Elettrotecnica LA (A-K)
Elettrotecnica LA (L-Z)
ING-IND/32
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-IND/31
ING-IND/31
Elettrotecnica LA (sede di Cesena)
ING-IND/31
Fondamenti di elettrotecnica L
Fondamenti di ingegneria elettrica L
Impianti elettrici L
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/33
Ingegneria dei plasmi LS
ING-IND/31
Laboratorio di affidabilità e controllo di qualità
ING-INF/07
Laboratorio di misure elettriche L
ING-INF/07
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-IND/32
ING-IND/32
ING-IND/32
ING-IND/32
ING-IND/31
ING-IND/33
ING-IND/33
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
ING-IND/31
46
CFU CdS
0049-0453
6 0050
0051-0234
6 0046-0231
0048-0055
6 0047
3 0047
0047
6 0052-0454
0055-0233
5 0208
6 0232
6 0455-0232
6 0047
6 0047
0047
6 0531
6 0047
3 0057
6 0232
3 0047
6 0232
3 0452
3 0452
3 0047
6 0232
8 0052
6 0057
6 0050
6 0049
4 0053
6 0208-0207
6 0046
6 0048-0055
6 0051
6 0051
0204-0203
6 0206-0205
6 0047
6 0054-0044
6 0047
0451-0455
6 0232
0051-0234
3 0048-0046
3 0047
Docente
M. Rinaldi
L. Peretto
A. Cavallini
A. Tani
D. Casadei
A. Tani
A. Cristofolini
A. Borghetti
G. Grandi
G. Grandi
L.Sandrolini
G.C. Montanari
A. Tani
C. Rossi
F. Filippetti
D. Casadei
F. Filippetti
C.A. Nucci
M. Paolone
U. Reggiani
R. Sacchetti
F. Negrini
M. Fabbri
P.L. Ribani
P.L. Ribani
F. Mastri
A. Cristofolini
C.A. Borghi
M. Fabbri
P.R. Ghigi
F. Mastri
U. Reggiani
M. Breschi
G. Pattini
C.A. Borghi
L. Peretto
A. Burchiani
5. Didattica
Macchine elettriche L
Macchine elettriche LS
Manutenzione e diagnostica dei sist. elettrici LS
Metodologie di progettazione delle macchine
elettriche LS
Metodologie di progettaz. di impianti elettrici LS
Misure e collaudo di macchine e imp. elettrici
LS
Misure elettriche
Misure elettroniche e laboratorio LA
Misure per la conformità e l’affidabilità LS
Modellistica dei sistemi elettromeccanici LA
Modellistica dei sistemi elettromeccanici LS
Principi di ingegneria elettrica LS
ING-IND/32
ING-IND/32
ING-IND/33
6
6
6
0047
0232
0232
G. Serra
G. Serra
A. Cavallini
ING-IND/32
6
0232
G. Serra
ING-IND/33
3
0232
G. Pattini
ING-INF/07
6
0232
G. Pasini
ING-INF/07
ING-INF/07
ING-INF/07
ING-IND/32
ING-IND/32
ING-IND/31
9
9
6
3
6
6
A. Burchiani
M. Rinaldi
L. Peretto
F. Filippetti
A. Tani
F. Negrini
Produzione dell’energia elettrica L
ING-IND/33
6
Qualità dell’energia elettrica L
Sensori e trasduttori LS
Sistemi elettrici per l’energia LS
Statistica applicata alle misure e al controllo di
qualità LA
Tecnica delle alte tensioni LS
Tecnologie elettriche innovative
ING-IND/33
ING-INF/07
ING-IND/33
6
6
9
0047
0048
0453
0055
0232
0453
0047
0049-0057
0047
0232-0233
0232
ING-INF/07
3
0048
L. Peretto
ING-IND/33
ING-IND/33
6
6
0232
0232-0455
G. Mazzanti
G.C. Montanari
A. Borghetti
G. Mazzanti
G. Pasini
C.A. Nucci
Legenda Corsi di Studio (CdS)
Laurea triennale (sede di Bologna)
Laurea specialistica
0044 – Ingegneria chimica
0045 – Ingegneria civile
0046 – Ingegneria delle telecomunicazioni
0047 – Ingegneria elettrica
0048 – Ingegneria elettronica
0049 – Ingegneria gestionale
0050 – Ingegneria dei processi gestionali
0051 – Ingegneria informatica
0052 – Ingegneria meccanica
0053 – Ingegneria per l’ambiente ed il territ.
0054 – Ingegneria dell’industria alimentare
0055 – Ingegneria dell’automazione
0057 – Ingegneria energetica
0231 – Ingegneria delle telecomunicazioni
0232 – Ingegneria elettrica
0233 – Ingegneria elettronica
0234 – Ingegneria informatica
0450 – Ingegneria per l’ambiente ed il territ.
0451 – Ingegneria chimica e di processo
0452 – Ingegneria civile
0453 – Ingegneria gestionale
0454 – Ingegneria meccanica
0455 – Ingegneria energetica
0531 – Ingegneria dell’automazione
Laurea triennale (sede di Forlì-Cesena)
0207 – Ingegneria aerospaziale (FO)
0208 – Ingegneria meccanica (FO)
0203 – Ingegneria biomedica (CE)
0204 – Ingegneria delle telecomunic. (CE)
0205 – Ingegneria elettronica (CE)
0206 – Ingegneria informatica (CE)
47
5. Didattica
5.2 LABORATORIO DIDATTICO
Il DIE si avvale della presenza di un Laboratorio Didattico, il quale ospita le esercitazioni di
diversi insegnamenti afferenti al DIE e/o ai Corsi di Studio in Ingegneria Elettrica. Il
Laboratorio Didattico è collocato al piano terra della Facoltà di Ingegneria ed è facilmente
accessibile dall’ingresso di via Vallescura; occupa un’area di circa 100 mq.
E’ dotato di 17 banchi di lavoro, ciascuno utilizzabile da 2 (max 3) persone. 12 di questi
banchi sono attrezzati con Personal Computer (Pentium IV e AMD Athlon XP 1800). Su
ciascuno di questi sono installati i seguenti software applicativi: EMTP, MATLAB,
LABVIEW 7.1, Microsoft Office e 3F 2000.
Ogni banco con PC include anche un multimetro HP 34401A, un generatore di funzioni HP
33120A, un oscilloscopio TEKTRONIX e un alimentatore HP in c.c. a tripla uscita.
Inoltre, all’interno di ogni PC sono installate 2 schede della National Instruments, la prima
per l’acquisizione di segnali, l’altra per il controllo remoto tramite protocollo GPIB degli
strumenti, il tutto gestito da LABVIEW 7.1. Completa il laboratorio la presenza di 3 banchi
di prova per motori elettrici.
Nel Laboratorio Didattico si svolgono le esercitazioni sperimentali e tecniche per i seguenti
insegnamenti:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Affidabilità e statistica per i sistemi elettrici (Prof. A. Cavallini)
Azionamenti elettrici (Prof. D. Casadei)
Compatibilità elettromagnetica (Prof. L. Sandrolini)
Componenti e tecnologie elettriche (Prof. G. C. Montanari)
Conversione statica dell'energia (Prof. C. Rossi)
Elettrotecnica (Prof. C.A. Borghi e Prof. F. Filippetti)
Impianti di produzione dell'energia elettrica (Prof. A. Borghetti)
Impianti elettrici (Prof. G. Pattini)
Misure e collaudo di macchine ed impianti elettrici (Prof. G. Pasini)
Misure elettriche e laboratorio (Prof. A. Burchiani)
Misure elettroniche (Prof. M. Rinaldi e Prof. D. Mirri)
Misure per la sicurezza (Prof. R. Sasdelli)
Sensori e traduttori (Prof. G. Pasini)
Sistemi elettrici per l'energia (Prof. C. A. Nucci)
Strumentazione elettronica di misura (Prof. D. Mirri).
48
5. Didattica
5.3 MASTER UNIVERSITARI
Il Dipartimento contribuisce alla didattica in diversi Master Universitari (I e II livello) a carattere nazionale ed internazionale, alcuni di questi tenuti in lingua inglese. Viene riportato
nel seguito l’elenco dei Master svolti negli ultimi anni, con l’indicazione degli insegnamenti
a carico del DIE e dei relativi docenti.
Master in ADVANCED POWER ELECTRICAL ENGINEERING (MAPEE)
Corso: Field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC): two viable
schemes for induction motor drive
Docente: prof. D. Casadei
Corso: Advances in electrical machines monitoring and diagnosis
Docente: prof. F. Filippetti
Master in CREAZIONE E SVILUPPO PICCOLE E MEDIE IMPRESE INNOVATIVE NEI
PAESI IN TRANSIZIONE (CESPEM)
Corso: Tecnologie elettriche innovative
Docente: proff. G.C. Montanari e D. Fabiani
Master in GENIE ÉLECTRIQUE
Corso: Analyse des transitoires rapides dans les réseaux électriques
Corso: Qualité de la tension
Docente: prof. C.A. Nucci
Master in INGENIERÍA DE LA INNOVACIÓN (sede di Buenos Aires, ARG)
Corso: Sistemas eléctricos de potencia
Docenti: proff. G.C. Montanari e D. Fabiani
Master in INNOVAZIONE DELLA MANUTENZIONE E DELLA GESTIONE DEI
PATRIMONI URBANI ED IMMOBILIARI
Corso: La manutenzione degli impianti elettrici e di sicurezza
Docenti: proff. A. Borghetti, C.A. Nucci
Master in INTEGRATORE DI SISTEMI
Direttore: prof. M. Rinaldi
Master in INTELLECTUAL PROPERTY
Corso: IP issues in energetic materials and nanotechnology
Docente: prof. G.C. Montanari
Master in PREVISIONE, PREVENZIONE E CONTROLLO DEL RISCHIO INDUSTRIALE
Corso: Gli ambienti di lavoro: sicurezza nei sistemi di produzione e rischio elettrico
Docenti: proff. C.A. Nucci e M. Paolone
49
5. Didattica
5.4 DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA ELETTROTECNICA
Il Dottorato di Ricerca è il più alto grado di istruzione previsto nell'ordinamento accademico
italiano ed è volto all'acquisizione delle competenze necessarie per esercitare attività di
Ricerca di alta qualificazione presso Università, enti pubblici e soggetti privati. Al Corso di
Dottorato di ricerca, di durata triennale, si accede per concorso. Il bando viene pubblicato
annualmente sulla Gazzetta Ufficiale della Repubblica Italiana - IV Serie Speciale e sul
sito dell’Ateneo di Bologna (http://www.unibo.it). Possono presentare domanda di partecipazione al concorso di ammissione al Dottorato di Ricerca coloro che siano in possesso di
laurea specialistica, o di laurea secondo l’ordinamento pre-vigente, o di analogo titolo
accademico conseguito all’estero. L’esame di ammissione consiste in due prove, una
scritta ed una orale, volte a garantire un’idonea valutazione comparativa dei candidati. Le
borse di studio disponibili sono assegnate in base alla graduatoria di merito.
Ogni dottorando è seguito da un docente (tutor); il dottorando è tenuto a seguire il piano
formativo scelto fra gli indirizzi attivati nel Bando. La corrispondenza tra obiettivi previsti e
risultati acquisiti è valutata, con cadenza bimestrale, dal Collegio dei Docenti del Dottorato
I periodi di formazione all’estero, lo svolgimento di attività didattica, l’ammissione agli anni
successivi e l’ammissione all’esame finale sono altresì valutati dal Collegio dei Docenti,
presieduto dal Coordinatore.
Il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica di Bologna, nell’ambito della Scuola di
Dottorato in Ingegneria Industriale, è connotato da una straordinaria ampiezza di tematiche scientifiche, riferibili ai contenuti dei settori scientifico-disciplinari presenti nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) dell'Università di Bologna. Il livello di eccellenza scientifica raggiunto dal DIE è chiaramente documentato dalle numerose ed importanti pubblicazioni in campo internazionale, che lo pongono nelle primissime posizioni della classifica
dei Dipartimenti dell'Ateneo bolognese. I partecipanti al Dottorato di Ingegneria Elettrotecnica sono quindi coinvolti in attività scientifica di prim'ordine, e forniscono un importante
contributo allo sviluppo della ricerca nell'ambito del DIE.
Membri del Collegio
Borghetti Alberto
Borghi Carlo Angelo
Casadei Domenico
Cavallini Andrea
Cristofolini Andrea
Fabbri Massimo (segretario)
Filippetti Fiorenzo
Grandi Gabriele
Mirri Domenico
Montanari Gian Carlo
Negrini Francesco (coordinatore)
Nucci Carlo Alberto
Pasini Gaetano
Peretto Lorenzo
Reggiani Ugo
Ribani Pierluigi
Rinaldi Mario
Serra Giovanni
Tani Angelo
50
Qualifica
PA
PO
PO
PA
PA
PA
PO
PA
PO
PO
PO
PO
PA
PA
PO
PA
PO
PO
PA
Dipartimento
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DEIS
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
DIE
5. Didattica
L'ampiezza dei percorsi formativi che il Dottorato in Ingegneria Elettrotecnica offre è dimostrata dai dieci indirizzi di ricerca attivati nel suo ambito. Tali indirizzi sono incentrati su
tematiche di grande importanza scientifica ed industriale. I successi ottenuti dai giovani
che hanno conseguito il Dottorato in Ingegneria Elettrotecnica, e le loro brillanti carriere
presso Università, Enti Pubblici e Soggetti Privati, testimoniano la validità dei percorsi formativi proposti, sempre orientati all'esercizio di attività di elevata qualificazione. È degno di
nota inoltre il coinvolgimento, anche economico, nel Dottorato di Enti Pubblici e Privati
(CESI, Pirelli, Gruppo Lucchini, Elettronica Santerno, Ansaldo Superconduttori, SOL,
ALTA, CIRA, ASI, ESA, Techimp, etc….) che contribuisce a mantenere vivo il rapporto
simbiotico tra il mondo della ricerca e quello dell'industria.
Il Corso intende sviluppare le moderne tematiche di carattere elettrico quali ad esempio:
elettronica di potenza, azionamenti per l’automazione, per la robotica e per la trazione;
macchine elettriche non convenzionali; autoveicolo elettrico moderno; metodi di analisi,
gestione e progettazione di sistemi elettrici; ristrutturazione del mercato dell’energia elettrica; architetture innovative per la distribuzione elettrica; modelli e metodi numerici; progettazione assistita da calcolatore di componenti e sistemi elettrici; uso razionale dell’energia e fonti rinnovabili; compatibilità elettromagnetica. I Curricula del Corso sono personalizzati per ciascun studente.
Il Dottore di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica deve essere in grado di applicare gli
strumenti analitici e le conoscenze relative alle tecnologie avanzate tipiche del settore
elettrico/ elettromeccanico anche ad altri comparti di punta dell’ingegneria. In particolare, il
Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica deve dare una vasta preparazione scientifica e tecnico-professionale nell’ambito elettrico con ottime conoscenze ingegneristiche di
base, capacità di innovazione tecnologica e progettuale e specifiche conoscenze elettriche. La figura professionale dovrà essere in grado di progettare, realizzare e gestire complesse attività, anche innovative, nell’ambito della produzione, trasmissione e distribuzione
dell’energia elettrica, della produzione di apparecchiature e macchinari elettrici e sistemi
elettronici di potenza, evidenziando anche la capacità di lavorare all’interno di un team.
Ogni anno il collegio dei docenti del Dottorato in Ingegneria Elettrotecnica organizza una
serie di cicli di seminari internazionali di eccellenza, normalmente accordandosi con alcuni
degli specialisti mondiali dei diversi settori che, trovandosi in Italia possono essere invitati
con un impegno finanziario limitato: la partecipazione a tali seminari è obbligatoria per tutti
i dottorandi. Presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna sono
attive collaborazioni con diverse Università e centri di ricerca internazionali sia pubblici che
privati (Massachusetts Institute of Technology, University of Missouri-Rolla, Worcester
Polytechnic Institute, University of Texas at Austin, Princeton University, NRC-Ottawa,
University of Tokyo, Tokyo Institute of Technology, Nottingham University, University of
Leicester, King’s College – London, Warsaw University, Aalborgh University, Aachen
University, Universität der Bundeswehr, University of Twente, Delft Technical University,
Eindhoven University of Technology, Universitè de Lyon, Universitè de la Piccardia –
Amiens, Universitè de Toulouse, Swiss Federal Institute of Technology-Lausanne, SUPELEC, Helsinki University of Technology, Università Pontifica Comillas, Cinvestav - Guadalajara, Universidad Nacional de Colombia, IVTAN-Russia, Xi’an Jiaotong University, VKIBelgium, etc.). A seconda della disponibilità di tali istituzioni e dello studente stesso, sono
attivati durante il II o il III anno periodi di formazione all’estero per un periodo non inferiore
a sei mesi.
51
5. Didattica
Indirizzi di ricerca del Dottorato
- Circuiti Elettrici
L’indirizzo di ricerca in Circuiti Elettrici prevede la formazione del dottorando nei settori della modellazione circuitale di componenti e dispositivi elettromagnetici, e nello studio, analisi e sintesi di circuiti dinamici complessi e circuiti non lineari di interesse nell’ambito dell’Ingegneria elettrotecnica. Il corso di dottorato preparerà il Dottorando a sviluppare ed utilizzare gli strumenti necessari per l’analisi e la sintesi delle applicazioni studiate.
- Circuiti Elettronici di Potenza
L’indirizzo Circuiti Elettronici di Potenza riguarda i circuiti ed i sistemi elettronici utilizzati in
applicazioni elettriche di potenza, con riferimento sia alle topologie sia alle tecniche di controllo di convertitori statici, tipicamente operanti in modalità switching. Di particolare interesse sono i convertitori per la gestione ottimale ed il condizionamento della potenza prodotta da fonti energetiche rinnovabili quali quella solare e quella eolica.
- Compatibilità Elettromagnetica
Il corso di dottorato si propone di fornire al dottorando, che segua l’indirizzo di ricerca in
Compatibilità Elettromagnetica, una metodologia di studio degli accoppiamenti elettromagnetici basato sulla teoria delle linee di trasmissione multimodali. Gli accoppiamenti elettromagnetici possono in tal modo essere rappresentati con circuiti equivalenti, anche in
presenza di ambienti risonanti, quali circuiti stampati entro contenitori metallici. Il corso di
dottorato preparerà il dottorando a sviluppare un codice di calcolo di implementazione dei
modelli analitici e circuitali studiati.
- Macchine ed Azionamenti Elettrici
Le attività di studio e di ricerca relative a questo indirizzo rientrano tra quelle proprie del
SSD ING-IND/32. In particolare, vengono affrontate tematiche riguardanti: macchine elettriche, sensori ed attuatori elettrici, componenti elettronici di potenza e convertitori, azionamenti elettrici, costruzioni elettromeccaniche ed applicazioni industriali elettriche.
Le metodologie di studio vengono impiegate nella soluzione dei problemi di base ed applicativi delle conversioni dell'energia per le diverse applicazioni nell'industria, nei trasporti
ferroviari, funiviari e stradali, negli edifici civili e nei servizi, partendo da fonti energetiche
tradizionali e rinnovabili.
- Magnetofluidodinamica Applicata
Lo scopo del corso è la formazione del dottorando su problematiche inerenti plasmi e processi magneto-fluidodinamici che possono aver luogo in essi. Il dottorando avrà la possibilità di sviluppare ed utilizzare strumenti numerici per l’analisi delle applicazioni studiate. Le
applicazioni proposte sono molteplici: Scarica elettrica in un interruttore a gas (negli interruttori a causa dell'interazione fra corrente e campo magnetico autoindotto gli effetti magnetofluidodinamici acquisiscono un ruolo importante durante tutto il processo); Interazione MHD in Flussi Ipersonici (la finalità dell'indagine è lo studio dell'interazione MHD
nello strato limite di veicolo in regimi ipersonici. Molte sono le applicazioni dell'interazione
MHD che potrebbero essere applicate in un veivolo supersonico: controllo dei parametri
fluidodinamici di un propulsore scramjet proposta nel concetto AJAX, al fine di rendere la
velocità del flusso nella camera di combustione indipendente dalla velocità del velivolo;
controllo dei fenomeni che avvengono nello strato limite a ridosso del veicolo, come ad
esempio le propagazione delle onde d'urto o dei flussi di calore); Propulsori MPD (la tematica di ricerca si incentra sull'analisi delle condizioni operative che determinano il particolare regime di plasma, dominato da microinstabilità e da regimi disuniformi (regime di “onset”) in propulsori MPD per applicazioni spaziali).
52
5. Didattica
- Misure e Strumentazione Elettrica ed Elettronica
L’oggetto dell’attività di ricerca che si propone riguarda lo studio ed il progetto di uno strumento per la diagnosi di patologie visive in soggetti ipersensibili al flicker luminoso.
L’obiettivo formativo previsto si articola su tre fasi: una prima fase dedicata in parte all’apprendimento delle nozioni di base di oftalmologia, dalla anatomia, fisiologia e semeiotica, fino allo studio delle principali patologie sull’organismo umano collegate a difetti visivi.
La seconda fase è dedicata allo studio di un modello matematico del comportamento del
sistema lampada-occhio-cervello in presenza di flicker luminoso. La terza fase, di carattere
applicativo, dedicata al progetto e alla realizzazione di un sistema che sia in grado di generare particolari stimoli luminosi da applicare ai soggetti e di rilevare le relative reazioni.
Confrontando queste ultime con quelle ricavate applicando il modello matematico studiato,
si potranno ottenere informazioni sulla presenza di eventuali patologie.
- Ottimizzazione del Progetto di Dispositivi Elettromagnetici
Oggetto della ricerca sono le metodologie di progetto dei dispositivi elettromagnetici. La
determinazione delle incognite di progetto solitamente richiede la soluzione di un problema
inverso (dagli effetti alle cause) che solitamente ha infinite soluzioni. In tal modo al progettista viene offerto un ampio spettro di possibilità che può essere utilizzato al fine di ottimizzare il progetto riguardo ai requisiti tecnologici che rendono il dispositivo competitivo. Il
dottorando che segua questo indirizzo di ricerca acquisirà gli strumenti necessari per poter
sviluppare in maniera autonoma il progetto di dispositivi elettromagnetici attraverso algoritmi di minimizzazione scalare e vettoriale di tipo sia deterministico che stocastico.
- Sistemi Elettrici per l'Energia
L'obiettivo è la formazione di dottorandi per lo svolgimento di attività di ricerca nel campo
dei sistemi elettrici di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. Più
specificamente, l’indirizzo si pone l'obiettivo di rendere gli studenti esperti nell’impostazione e nello sviluppo di attività di ricerca utili alla progettazione, modellazione ed analisi dei
sistemi di potenza. La formazione si basa sia sugli strumenti consolidati sia sulle tecniche
più innovative, ed ha come ulteriore scopo quello di consentire l’inserimento diretto ed immediatamente produttivo dei dottori di ricerca presso enti e società.
- Superconduttività Applicata
Il dottorando che segua questo indirizzo sarà preparato per: sviluppare modelli di dispositivi elettromagnetici mediante la teoria dei campi e dei circuiti; risolvere analiticamente e numericamente le equazioni integro-differenziali della fisica matematica; analizzare statisticamente i dati sperimentali; conoscere le proprietà dei materiali superconduttori e le tecnologie che ne permettono l’utilizzo nei dispositivi/sistemi di potenza. In particolare sono previsti studi ed esperienze sui sistemi elettromagnetici per la Fusione Termonucleare Controllata, sulle tecnologie ad alto rendimento nel riscaldamento ad induzione, sui limitatori di
corrente superconduttivi, sulla caratterizzazione dei materiali magnetici superconduttivi,
sulle tecnologie per il material processing, sulla separazione e filtrazione magnetica ad alto gradiente di campo e sulla progettazione di magneti per la produzione di energia elettrica, per la propulsione elettrica navale, per la trazione ferroviaria a levitazione magnetica.
- Tecnologie Elettriche
Il dottorando che segua l’indirizzo di ricerca in Tecnologie Elettriche sarà formato sui seguenti argomenti: Materiali e tecnologie utilizzati nel campo dell’ingegneria elettrica, con
particolare riferimento ai sistemi isolanti; Fenomeni fisici che governano invecchiamento e
rottura di isolanti solidi e liquidi; Tecniche per la diagnostica di sistemi di isolamento complessi; Tecniche per la trattazione numerica dei segnali; Analisi statistica dei dati.
53
5. Didattica
Dottori di Ricerca
Viene di seguito riportato l’elenco storico di coloro che hanno svolto il Dottorato di Ricerca
in Ingegneria Elettrotecnica presso l’Ateneo di Bologna (e sedi consorziate), conseguendo
il Titolo di Dottore di Ricerca.
COGNOME
Giuliattini Burbui
Trevisani
Trentin
Carraro
Di Leo
Morandi
Ghidini
Conti
Minisgallo
Lazzari
Tarchini
Fabiani
Paolone
Sancineto
Alsayid
Breschi
Rossi
Artioli
Sandrolini
La Cascia
Fiori
Gaggelli
Ficco
Ghinello
Rinaldi
Campolucci
Guerrieri
Peretto
Bartoli
Fabbri
Masotti
Montevecchi
Uncini
Cavallini
Cristofolini
Foschini
Kombe Bini
Grandi
Reatti
Massarini
Mazzanti
Cacciari
NOME
Gian Lorenzo
Luca
Andrew
Mario Roberto
Enrico
Antonio
Raffaele
Marco
Simone
Annarita
Jorghe Alejandro
Davide
Mario
Giuseppe
Basim
Marco
Claudio
Marcello
Leonardo
Piero
Simone
Alessio
Massimo
Ilihc
Paola
Paolo
Silvia
Lorenzo
Massimo
Massimo
Diego
Nadia
Aurelio
Andrea
Andrea
Luigi
Hassamali
Gabriele
Alberto
Antonio
Giovanni
Mario
CICLO
XVIII
XVIII
XVII
XVII
XVI
XVI
XVI
XVI
XV
XV
XV
XIV
XIV
XIV
XIV
XIII
XIII
XIII
XII
XII
XII
XII
XI
XI
XI
X
IX
IX
VIII
VIII
VIII
VIII
VIII
VII
VII
VI
VI
VI
V
IV
IV
I
(*) in attesa di espletamento dell’esame finale.
54
ANNO
2006 (*)
2006 (*)
2005
2005
2005
2004
2004
2004
2003
2003
2003
2002
2002
2002
2002
2001
2001
2001
2000
2000
2000
2000
1999
1999
1999
1998
1997
1997
1996
1996
1996
1996
1996
1995
1995
1994
1994
1994
1993
1992
1992
1989
6. Ricerca
6. RICERCA
Le attività di ricerca del DIE possono essere classificate in quattro gruppi tematici, facenti
capo ciascuno ad un settore scientifico disciplinare (S.S.D.). Caratteristica peculiare di tali
attività è quella di collocarsi spesso trasversalmente rispetto ai macro-settori ingegneristici
dell’Informazione ed Industriale.
Per ciascun settore scientifico disciplinare è riportata la “declaratoria” ministeriale, che ne
definisce le finalità e gli ambiti di competenza. E’ poi indicato l’elenco del personale che
afferisce al settore (in ordine alfabetico per ogni ruolo) e la classificazione delle principali
aree di ricerca. Per ciascuna area di ricerca sono raccolti in una scheda sintetica gli specifici argomenti di ricerca, con l’indicazione dei nominativi di riferimento presso il DIE.
ING-IND/31 ♦ ELETTROTECNICA...................................................................................56
1. Circuiti elettrici ed elettronici di potenza.........................................................................58
2. Compatibilità elettromagnetica.......................................................................................63
3. Ingegneria dei plasmi.....................................................................................................71
4. Ingegneria magnetofluidodinamica ................................................................................76
5. Modellistica ed ottimizzazione di dispositivi elettromagnetici .........................................83
6. Superconduttività applicata............................................................................................90
ING-IND/32 ♦ CONVERTITORI, MACCHINE ED AZIONAMENTI ELETTRICI ................96
1. Azionamenti elettrici.......................................................................................................98
2. Conversione statica dell’energia elettrica..................................................................... 101
3. Diagnostica delle macchine elettriche..........................................................................105
4. Macchine ed attuatori elettrici ...................................................................................... 108
5. Motori direct-drive ........................................................................................................ 111
6. Sistemi di condizionamento della potenza ................................................................... 114
7. Sistemi di interfaccia per fonti rinnovabili ..................................................................... 118
8. Trazione elettrica ......................................................................................................... 121
ING-IND/33 ♦ SISTEMI ELETTRICI PER L’ENERGIA................................................... 124
1. Produzione dell’energia elettrica.................................................................................. 126
2. Trasmissione dell’energia elettrica............................................................................... 130
3. Distribuzione dell’energia elettrica ............................................................................... 137
4. Utilizzazione e componenti .......................................................................................... 144
5. Materiali innovativi ....................................................................................................... 148
ING-INF/07 ♦ MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE.......................................... 152
1. Analisi dell’affidabilità di dispositivi e sistemi elettronici ............................................... 154
2. Analisi della propagazione delle incertezze negli algoritmi di misura........................... 157
3. Caratterizzazione di trasduttori di corrente e tensione ................................................. 160
4. Caratterizzazione e modellistica di sistemi dinamici non lineari................................... 162
5. Metodologie e strumentazione per l’analisi digitale dei segnali.................................... 167
6. Misure per la valutazione della Power Quality ............................................................. 172
55
6. Ricerca: ING-IND/31
6.1 ING-IND/31 ♦ ELETTROTECNICA
Il settore studia gli aspetti teorici e sperimentali e lo sviluppo delle relative applicazioni dei
due filoni complementari dei campi elettromagnetici e dei circuiti elettrici ed elettronici nell'ingegneria civile, industriale e dell'informazione. Nel primo filone si studiano problemi di
campo elettromagnetico, di compatibilità elettromagnetica, di magnetofluidodinamica e di
modellistica e diagnostica dei materiali di interesse elettrico e magnetico. Nel secondo filone si studiano i circuiti, sia analogici sia digitali, ed i relativi modelli: lineari, non lineari e
tempo-varianti, a parametri concentrati e distribuiti, di segnale e di potenza, mono e multidimensionali. I due approcci complementari sono applicati all'analisi, sintesi, modellistica
numerica e progettazione automatica delle apparecchiature, dei dispositivi e dei sistemi
elettrici, all'ingegneria dei plasmi, alla fusione termonucleare, agli acceleratori di particelle,
all'elettrotermia, alla compatibilità elettromagnetica, alla qualità, sicurezza ed impatto ambientale nelle applicazioni elettriche, ai circuiti per l'elaborazione dei segnali, ai circuiti
adattativi e reti neurali, all'elettronica di potenza ed alla conversione dell'energia elettrica.
Personale che afferisce a questo settore di ricerca:
Professori Ordinari
Carlo Angelo Borghi
Paolo Raffaele Ghigi
Francesco Negrini
Ugo Reggiani
Andrea Cristofolini
Massimo Fabbri
Gabriele Grandi
Franco Mastri
Pier Luigi Ribani
Raffaello Sacchetti
Ricercatori
Marco Breschi
Leonardo Sandrolini
Dottorandi
Andrea Dolente
Giacomo Mariani
Gabriele Neretti
Borsisti e Assegnisti
Mario Roberto Carraro
Gian Lorenzo Giuliattini Burbui
Antonio Morandi
Luca Trevisani
Collaboratori
Marco Boselli
PRINCIPALI AREE DI RICERCA
1. Circuiti elettrici ed elettronici di potenza ...................................................................58
- Circuiti ed inverter multifase ............................................................................................58
- Circuiti e sistemi per pannelli fotovoltaici .........................................................................59
- Fenomeni non lineari in circuiti a RF contenenti interruttori MEMS .................................60
- Inverter multilivello ...........................................................................................................61
- Simulazione di circuiti non lineari.....................................................................................62
2. Compatibilità elettromagnetica ..................................................................................63
- Calcolo e misura di campi magnetici a bassa frequenza .................................................63
- Disturbi condotti dovuti a convertitori statici.....................................................................64
- Disturbi irradiati da convertitori switching.........................................................................65
- Efficienza di schermatura di materiali dispersivi ..............................................................66
- Modellistica e calcolo delle emissioni irradiate da cavi e circuiti stampati........................67
- Previsione di accoppiamenti elettromagnetici in ambiente risonante...............................68
- Schermi multistrato per campi magnetici a bassa frequenza...........................................69
- Studio di ambienti di misura compatti per prove di compatibilità elettromagnetica ..........70
56
3. Ingegneria dei plasmi ..................................................................................................71
- Diagnostiche imaging ed a micro-onde per lo studio di plasmi ........................................71
- Diagnostiche spettroscopiche nei plasmi.........................................................................72
- Interazione EHD in flussi subsonici .................................................................................73
- Propulsori MPD per il trasporto spaziale..........................................................................74
- Scarica a bagliore in atmosfera .......................................................................................75
4. Ingegneria magnetofluidodinamica............................................................................76
- Centrali elettriche ad emissione nulla con impianto di testa MHD ...................................76
- Condotti MHD con plasma non uniforme .........................................................................77
- Impianti MHD a carbone per la produzione di energia elettrica su larga scala ................78
- Impianti MHD a gas nobili per la produzione di energia elettrica su larga scala ..............79
- Interazione MHD in flussi ipersonici.................................................................................80
- Tecnologie MHD per il material processing .....................................................................81
- Tubo d’urto MHD a gas nobile .........................................................................................82
5. Modellistica ed ottimizzazione di dispositivi elettromagnetici ................................83
- Caratterizzazione elettrica di sorgenti rinnovabili di energia elettrica ..............................83
- Magneti superconduttori ad alti campi per generatori MHD.............................................84
- Modellazione circuitale di componenti avvolti nel campo delle alte frequenze ................85
- Modelli numerici per campi elettrici e magnetici ..............................................................86
- Modelli numerici per MHD e plasmi .................................................................................87
- Ottimizzazione della soluzione di problemi di sintesi magnetica tramite algoritmi
evolutivi............................................................................................................................88
- Tecnologie ad alto rendimento nel riscaldamento ad induzione di billette di alluminio ....89
6. Superconduttività applicata........................................................................................90
- Accumulo dell’energia elettrica mediante sistemi a superconduttore (SMES) .................90
- Distribuzione di corrente e perdite nei cavi superconduttori multifilamentari ...................91
- Limitatori di corrente superconduttivi ...............................................................................92
- Magneti quasi-permanenti e tecniche di magnetizzazione ..............................................93
- Studio della stabilità dei nastri superconduttori ad alta temperatura critica .....................94
- Utilizzo integrato della tecnologia dell’idrogeno liquido e dei superconduttori
per l’uso efficiente dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili ...............................95
LABORATORI DI RICERCA (per una descrizione dettagliata si rimanda al Cap. 7)
Compatibilità Elettromagnetica (LACEM) ....................................................................176
Il gruppo di ricerca del LACEM svolge attività di ricerca nell'ambito della Compatibilità
Elettromagnetica. Il gruppo svolge anche attività didattica nello stesso settore nei Corsi di
Studio in Ingegneria Elettrica ed Ingegneria dell’Automazione dell'Università di Bologna.
Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi (LIMP) .................................................. 184
Tre sono i maggiori filoni di ricerca del Laboratorio di Ingegneria dei Plasmi: la propulsione
spaziale magnetoplasmadinamica, l'interazione MHD nello starto limite di un veivolo ipersonico, la Glow Discharge a pressione atmosferica.
Ingegneria Magnetofluidodinamica & Superconduttività Applicata (LIM&SA)......... 186
Il LIM-SA è il laboratorio del gruppo di ricerca sull'ingegneria magnetofluidodinamica e sulla superconduttività applicata dell'Università di Bologna.
57
Area di Ricerca: 1. Circuiti elettrici ed elettronici di potenza
Argomento: CIRCUITI ED INVERTER MULTIFASE
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, A. Tani
Descrizione della Ricerca
Una delle applicazioni più diffuse dell’elettronica di potenza è quella dei convertitori per
azionamenti inverter-motore. In tale configurazione, il numero delle fasi dell’inverter e del
motore può assumere il significato di “variabile interna” per il sistema. Il recente sviluppo
dell’elettronica di potenza e delle tecnologie digitali di controllo consente in effetti di utilizzare questo parametro come un ulteriore “grado di libertà” per il dimensionamento ottimale
dell’azionamento. In particolare, la configurazione multifase rispetto ad una tradizionale
trifase presenta alcuni vantaggi quali: riduzione dell’ampiezza delle armoniche ed incremento della densità di coppia, riduzione delle perdite Joule rotoriche, riduzione delle armoniche di corrente lato dc. Inoltre, la presenza di più fasi garantisce un funzionamento accettabile, se pur a prestazioni ridotte, nel caso di guasti in una o più fasi dell’inverter e/o
del motore, incrementando l’affidabilità dell’intero sistema di conversione.
Un altro aspetto particolarmente rilevante riguarda la
potenza massima dell’inverter che, a parità di caratteristiche limite degli interruttori statici, può essere
aumentata in modo praticamente proporzionale al numero delle fasi. Ciò consente di realizzare convertitori
di grossa taglia (dell’ordine dei MW) anche con IGBT
standard dal costo relativamente modesto. Si tratta in
effetti di una soluzione duale a quella ottenibile con
inverter mutilivello: invece di ripartire la tensione dc
sugli interruttori introducendo più livelli viene ripartita
la corrente dc distribuendola su più fasi.
n = 13
Per quanto riguarda gli strumenti matematici, si è rivelato particolarmente utile l’estensione
del metodo dei vettori di spazio ai sistemi multifase. In particolare, sono state dettagliatamente descritte trasformazioni ed antitrasformazioni, mettendone in evidenza le correlazione con le corrispondenti componenti simmetriche di Fortescue, relative al caso particolare
di regime sinusoidale, e con la trasformata discreta di Fourier (DFT).
Con riferimento allo studio della macchina multifase, l’impiego dei vettori di spazio consente di evidenziare in modo sintetico ed elegante le simmetrie e le proprietà di accoppiamento tra le diverse fasi. Per quanto riguarda gli inverter, l’impiego dei vettori di spazio consente l’estensione della modulazione vettoriale (SVM) anche per la configurazione multifase.
In questo caso è necessario riferirsi a più vettori, uno per ciascuna delle sequenze del sistema multifase. Nell’esempio di figura sono mostrati i vettori delle tre sequenze (S1, S2, S3)
di una possibile modulazione SVM per un inverter eptafase (n = 7).
n=7
n=7
n=7
S1
S2
S3
58
Argomento: CIRCUITI E SISTEMI PER PANNELLI FOTOVOLTAICI
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, U. Reggiani, C. Rossi
L’attività di ricerca nel settore fotovoltaico riguarda la sintesi di metodologie di regolazione
e l’individuazione di nuove configurazioni di convertitori elettronici di potenza sia per massimizzare l’efficienza di conversione sia per aumentare la flessibilità dei sistemi fotovoltaici
grid-connected nel loro complesso.
In particolare, sono state proposte metodologie MPPT (maximum power point tracking) basate sulle oscillazioni della tensione e/o corrente dei pannelli. Nel caso di impianti di grossa taglia, tipicamente collegati alla rete trifase, è possibile elaborare opportunamente l’apprezzabile ripple introdotto dal convertitore (chopper o inverter) che estrae l'energia dai
pannelli, essendo le frequenze di commutazione relativamente modeste. L’inverter trifase
può svolgere in questo caso anche la funzione di filtro attivo, contribuendo alla cosiddetta
Power Quality della rete elettrica con l’erogazione di potenza reattiva per il rifasamento e/o
la compensazione delle armoniche di corrente dovute a carichi non lineari. Nel caso di impianti di piccola potenza, stante le elevate frequenze di commutazione ed il conseguente
basso ripple residuo, è stato proposto l’utilizzo delle oscillazioni a 100 Hz introdotte sul bus
dc dalla fluttuazione di potenza dovuta alla connessione con la rete monofase a 50 Hz.
Allo scopo di aumentare la flessibilità del sistema è stata inoltre proposta una struttura di
conversione modulare basata su unità di generazione a doppio pannello, completamente
indipendenti le une dalle altre (stand-alone), collegate in parallelo al bus dc dell’inverter di
rete. Ogni unità è dotata di convertitore buck-boost (o fly-back) per regolare dinamicamente la tensione di lavoro dei due pannelli verso il punto di massima potenza. Tale configurazione consente di trasferire l’energia fotovoltaica prodotta verso il bus dc comune, mantenuto ad una prefissata tensione di esercizio dall’inverter di rete, operante in modalità di filtro attivo. In questo caso la tecnica MPPT proposta è basata sul raffronto della tensione o
della corrente dei due pannelli, i cui punti di lavoro sono volutamente leggermente spaiati.
Ogni unità di generazione (2 pannelli + 1 convertitore) non richiede alcuna alimentazione e
non sono necessarie connessioni di alcun tipo ne con le altre unità ne con l’inverter di rete.
La potenza complessiva del sistema fotovoltaico può essere variata semplicemente aggiungendo o togliendo una o più unità in parallelo al bus dc dell’inverter di rete.
Un impianto fotovoltaico sperimentale (2.7 kWp)
è attualmente installato sul tetto dell'edificio della
Facoltà che ospita il Dipartimento di Ingegneria
Elettrica (vedi foto a fianco).
Sono attualmente allo studio anche soluzioni ibride con pannelli fotovoltaici/termici. Tali configurazioni, particolarmente efficaci nel contesto
urbano (stante la scarsità delle aree disponibili),
forniscono energia termica per usi sanitari e/o
per il riscaldamento ed allo stesso tempo consentono di incrementare l’efficienza di conversione fotovoltaica (+10%) riducendo la temperatura
operativa dei pannelli.
59
Argomento: FENOMENI NON LINEARI IN CIRCUITI A RF CONTENENTI
INTERRUTTORI MEMS
Nominativi di
riferimento: F. Mastri
I MEMS (Micromachined ElectroMechanical Systems) sono dispositivi allo stato solido con
parti mobili azionate mediante segnali elettrici. Questi dispositivi possono essere inclusi in
forma integrata nei front-end a radiofrequenza per sistemi di telecomunicazioni per realizzare varie funzioni (come interruttori, filtri a elevato Q, risonatori, ecc.) che altrimenti richiederebbero l’uso di componenti esterni al chip.
Una delle caratteristiche più interessanti dei dispositivi MEMS è rappresentata dalla loro
maggiore linearità rispetto ai corrispondenti componenti circuitali a semiconduttore. Nonostante ciò i MEMS presentano un complesso comportamento non lineare che può influenzare in modo sensibile le prestazioni del sistema in cui sono inseriti. Ciò risulta particolarmente evidente in presenza di forti segnali a RF modulati. Infatti, le costanti di
tempo associate ai dispositivi MEMS normalmente sono molto grandi rispetto al periodo delle portanti a RF, ma sono comparabili con il periodo dei segnali modulanti. La
risposta non lineare del sistema elettromeccanico alle componenti a bassa frequenza
dello spettro del segnale dà quindi origine a
distorsione di intermodulazione.
Lo studio di questi effetti, limitatamente al caso di eccitazione bitonale, è stato affrontato
da alcuni autori con metodi approssimati sia nel dominio del tempo che nel dominio delle
frequenze, tuttavia al momento non risulta disponibile uno strumento di analisi di validità
generale. Per fornire una soluzione generale a questi problemi, è stato sviluppato un approccio innovativo abbinando alcune tecniche numeriche avanzate al metodo del bilanciamento armonico basato sulle variabili di stato e sulla scomposizione del circuito. Alle
ordinarie equazioni del circuito viene associato un insieme di equazioni elettromeccaniche
che descrivono la dinamica delle parti mobili dei dispositivi MEMS e i due sistemi di equazioni vengono risolti simultaneamente mediante un algoritmo di Newton inesatto basato
sul metodo GMRES e globalizzato con la tecnica della trust-region. In questo modo è possibile trattare problemi fortemente non lineari e che coinvolgono un numero elevato di
componenti spettrali, come avviene
nel caso di eccitazione multitonale
ad alti livelli di potenza o di segnali
con modulazione digitale.
Inoltre, facendo uso della teoria delle biforcazioni, questa tecnica permette di eseguire analisi di stabilità
di circuiti contenenti MEMS e, in particolare, di individuare le condizioni
sotto le quali il segnale RF può indurre l’autocommutazione del dispositivo.
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Argomento: INVERTER MULTILIVELLO
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, C. Rossi, A. Lega
Il progressivo sviluppo dei convertitori elettronici verso applicazioni di sempre maggiore
potenza ha recentemente portato alla diffusione degli inverter multilivello.
Grazie all’utilizzo di tali convertitori è infatti
possibile aumentare il range di potenza utilizzando una opportuna combinazione di
componenti che singolarmente gestirebbero
potenze relativamente modeste.
Inoltre, la forma d’onda della tensione di uscita assume il tipico andamento a gradini,
che consente di ottenere un basso contenuto armonico anche con frequenze di commutazione relativamente modeste, rendendo quindi possibile l’impiego di componenti
di grossa taglia.
Anche i disturbi elettromagnetici condotti ed irradiati risultano mitigati in quanto l’escursione della tensione di uscita durante le commutazioni avviene non sull’intera ampiezza ma
solo sui singoli gradini, riducendo sensibilmente il dv/dt a pari tempo di commutazione.
La principali problematiche introdotta dalle configurazioni multilivello consistono nelle relativamente complesse strutture di potenza e logiche di protezione, che esulano dalle efficienti e consolidate soluzioni utilizzate per gli inverter trifase tradizionali. Per ovviare a
questi inconvenienti, è stata studiata una configurazione di inveter multilivello ottenuta dalla combinazione di due inverter standard con una macchina trifase a sei morsetti (la cosiddetta disposizione open-winding). In particolare, è stato considerato il caso di alimentazioni separate, che presenta diversi vantaggi: assenza di componenti omopolari di corrente e
sfruttamento ottimale della tensione dc senza circuiteria aggiuntiva; possibilità di funzionamento con un inverter singolo in caso di guasto o malfunzionamento dell’altro inverter o
dell’altra alimentazione, se pur a prestazioni ridotte. L’attività di ricerca ha portato all’individuazione di una tecnica di modulazione innovativa che consente di regolare la ripartizione
di potenza tra i due inverter ed al tempo stesso ottenere in una uscita una forma d’onda di
tensione multilivello ottimale (distribuita su soli tre livelli adiacenti per ogni ciclo di commutazione, vedi figura soprastante).
Sono stati realizzati presso il laboratorio del DIE sia un prototipo in scala ridotta che un
convertitore multilivello a doppio inverter di grossa taglia, attualmente utilizzato per la sperimentazione su sistemi di trazione elettrica (vedi figure sottostanti).
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Argomento: SIMULAZIONE DI CIRCUITI NON LINEARI
Nominativi di
riferimento: F. Mastri
I problemi di simulazione di circuiti non lineari di attuale interesse ingegneristico riguardano in misura sempre maggiore sistemi aventi strutture complesse e costituiti a un numero elevato di sottosistemi non lineari interagenti. Ciò si traduce nella crescente necessità di tecniche di analisi applicabili in maniera efficiente a reti contenenti un numero elevato di componenti non lineari e operanti con segnali il cui spettro contiene un numero
elevato di righe. L’attività di ricerca si propone di fornire una soluzione operativa a queste
necessità, svolgendo uno studio sistematico sugli algoritmi di risoluzione di problemi di
grandi dimensioni nella simulazione di sistemi non lineari. Di seguito si riportano i temi di
ricerca considerati e i principali risultati conseguiti in ciascun ambito.
Metodi generali per la simulazione di circuiti non lineari
È stata sviluppata una tecnica innovativa per la simulazione di circuiti di grandi dimensioni
che impiega il metodo del bilanciamento armonico in unione con metodi di analisi basati
sui sottospazi di Krylov. La risoluzione delle equazioni di bilanciamento armonico è ottenuta mediante un algoritmo di Newton inesatto che impiega il metodo GMRES per la valutazione approssimata dell'aggiornamento delle incognite.
In seguito questa tecnica è stata estesa all'analisi di circuiti autonomi. Ciò ha consentito,
ad esempio, la valutazione dei transitori di accensione e di spegnimento degli oscillatori
con tecniche interamente basate sul dominio delle frequenze.
Infine è stato avviato lo sviluppo di una tecnica originale di domain-decomposition che
permette di ridurre ulteriormente l'occupazione di memoria e i tempi di calcolo operando
una scomposizione automatica del sistema in sottosistemi non lineari interconnessi. Il partizionamento ottimale viene determinato minimizzando un'opportuna funzione obiettivo legata al costo computazionale dell'analisi non lineare.
Analisi di stabilità di circuiti e sistemi non lineari
È stata dimostrata la possibilità di implementare per via numerica i principi fondamentali
della teoria delle biforcazioni, realizzando analisi di stabilità globali di sistemi non lineari
mediante il metodo del bilanciamento armonico. In particolare è stata sviluppata una famiglia di algoritmi basata sui metodi di Krylov che consente di determinare le biforcazioni e i
luoghi delle biforcazioni di sistemi parametrizzati di grandi dimensioni.
Simulazione di circuiti di grandi dimensioni eccitati da segnali modulati
È stato sviluppato un approccio originale all'analisi armonica con fasori tempo-varianti per
la simulazione di sistemi eccitati da portanti modulate. Il regime elettrico è approssimato
da una sequenza di stati pseudo-stazionari che si succedono lentamente nel tempo. Ciascuno di questi stati è analizzato con la tecnica del bilanciamento armonico, facendo uso
di una formulazione modificata del sistema risolvente che tiene conto dell'accoppiamento
generato dalla dinamica dell'inviluppo.
Progetto a larga banda di sistemi non lineari
È stata introdotta una nuova tecnica di ottimizzazione che consente di riconfigurare il problema in termini di risoluzione di un sistema non lineare. Questo metodo permette di ridurre il numero di calcoli dell'obiettivo anche di un ordine di grandezza, grazie alla superiore
efficienza degli algoritmi di risoluzione di sistemi rispetto agli algoritmi di ottimizzazione e
quindi risulta particolarmente efficiente nei casi in cui il calcolo della parte lineare della rete
è molto costoso (ad esempio se eseguito mediante simulazione elettromagnetica).
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Area di Ricerca: 2. Compatibilità elettromagnetica
Argomento: CALCOLO E MISURA DI CAMPI MAGNETICI A BASSA FREQUENZA
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, M. Landini
L'attività in questo settore ha portato alla definizione di una procedura di calcolo mediante
la quale è possibile esprimere immediatamente il valore efficace dell’induzione magnetica in funzione della geometria
di un elettrodotto trifase (spaziatura media tra i conduttori),
della corrente di esercizio, e della distanza dal punto considerato alla linea. Tale procedura, basata sull’applicazione
della teoria delle sequenze ai vettori che descrivono la posizione dei conduttori di fase rispetto al loro baricentro,
consente di calcolare esattamente l’andamento asintotico
del campo magnetico. E' stato mostrato che i valori calcolati rappresentano quelli effettivi con un errore inferiore al
10%, già per distanze superiori a circa due/tre volte la spaziatura media tra i conduttori.
Un’ulteriore tema riguarda lo studio di un particolare trasduttore di campo magnetico basato sull’impiego in catena chiusa di sensori magnetici (tipicamente dispositivi ad effetto Hall
o magneto-resistivi). Il principio di funzionamento, del tutto simile a quello di alcuni trasduttori di corrente, è basato sull’annullamento del campo in corrispondenza del sensore mediante una bobina coassiale. La corrente che percorre la bobina è pilotata dal segnale in
tensione fornito dal sensore stesso, opportunamente amplificato. In questo modo si realizza un sistema in retroazione in grado di inseguire l’andamento istantaneo del campo magnetico con un segnale in corrente ad esso proporzionale.
Il prototipo di trasduttore, realizzato presso il Laboratorio di “Compatibilità elettromagnetica" del D.I.E., ha consentito di validare sperimentalmente gli sviluppi analitici ed i calcoli
previsionali.
Allo scopo di generare il necessario campo magnetico
di riferimento a bassa frequenza, regolabile e calcolabile con piccola incertezza, è stata realizzata una
doppia bobina di Helmoltz quadrata, con lato pari ad
1m, come previsto dalle normative tecniche per la taratura degli strumenti di misura. Sono state sviluppate
alcune espressioni analitiche del campo magnetico
grazie alle quali è stato possibile correlare con esattezza le incertezze geometriche a quelle del campo
risultante nel centro della bobina. E’ inoltre stata studiata la distribuzione del campo in termini di uniformità, con la definizione di un volume di lavoro utile
entro la quale il campo è determinato con un’incertezza inferiore all’1%.
Il sistema di generazione di campo magnetico viene utilizzato per la verifica periodica della
calibrazione degli stumenti di misura portatili in dotazione presso il D.I.E. Tale strumentazione viene spesso utilizzata per rilievi nel territorio provinciale e regionale.
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Argomento: DISTURBI CONDOTTI DOVUTI A CONVERTITORI STATICI
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, U. Reggiani, D. Casadei
I convertitori statici di tipo switching producono notevoli disturbi nel campo delle frequenze
tipiche delle interferenze elettromagnetiche condotte (150 kHz - 30 MHz). Il carico per questo tipo di convertitori è, nella maggior parte dei casi, costituito da motori elettrici in bassa
tensione di media-piccola potenza. Tali motori vengono solitamente realizzati con avvolgimenti statorici a matasse, la cui modellazione circuitale nel campo delle alte frequenze
(AF) risulta particolarmente complessa. In generale, il comportamento dei componenti
elettrici ed elettronici in AF risulta sensibilmente diverso da quello caratteristico alle basse
frequenze ed i loro modelli ideali risultano inadeguati. Lo scopo di questa ricerca è quello
di mettere a punto modelli circuitali utili per la previsione dei disturbi condotti in un sistema
tipico del tipo convertitore switching - motore elettrico.
Per quanto riguarda il convertitore, lo studio teorico e sperimentale delle interferenze elettromagnetiche condotte è stato svolto con riferimento ai convertitori controllati con tecniche PWM. Sono stati considerati i modelli in AF dei vari componenti, quali interruttori statici, condensatori, induttori, nonché le induttanze e capacità parassite dei diversi tratti di collegamento del circuito di potenza. La messa a punto di un modello circuitale del convertitore risulta particolarmente utile al fine di prevedere, per via analitica e/o numerica, il comportamento del convertitore alle alte frequenze in termini di emissioni condotte sia sulla rete di alimentazione, sia verso il carico.
La modellazione AF degli avvolgimenti statorici del motore è stata intrapresa considerando
dapprima il caso di una singola matassa allogata entro cave praticate in materiale ferromagnetico laminato, per poi essere estesa al caso di un intero avvolgimento statorico di una
macchina elettrica in corrente alternata. Sono stati proposti circuiti equivalenti i cui parametri vengono identificati tramite i valori misurati a diverse frequenze dell’impedenza complessa della singola matassa o dell’intero avvolgimento e della relativa impedenza complessa verso terra.
Il modello proposto, che può essere impiegato nell’analisi sia nel dominio della frequenza
che del tempo, consente di predire le interferenze di modo comune e differenziale in convertitori statici che alimentano avvolgimenti di apparecchiature in corrente alternata. Inoltre, la simulazione di un transitorio a fronte ripido di tensione permette, ad esempio, di determinare come la sollecitazione elettrica si ripartisce tra le singole matasse, fornendo indicazioni utili per il dimensionamento dell’isolamento.
I risultati della simulazione (PSpice) sono in buon accordo con quelli sperimentali ottenuti
su un prototipo di sistema “inverter ad IGBT - motore ad induzione” appositamente realizzato presso il Laboratorio del Dipartimento.
DC source
filters
HF current
probe
inverter (VSI)
HF current
probe
AC motor
LISN (a)
LISN (b)
a,b
A,B,C
frame
heatsink
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Argomento: DISTURBI IRRADIATI DA CONVERTITORI SWITCHING
Nominativi di
riferimento: A. Dolente, G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini
Gli alimentatori di tipo switching rappresentano un esempio di sistemi elettronici che richiedono un’accurata progettazione dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica
(EMC). L’impiego di frequenze di commutazione elevate consente di ridurre le dimensioni
dei componenti magnetici. Tuttavia, proprio per l’elevata frequenza di commutazione e la
forma d’onda ad impulsi rettangolari a fronte ripido, questi alimentatori presentano un ampio spettro di interferenze elettromagnetiche
(EMI) condotte e irradiate.
La ricerca di questa tematica riguarda lo studio
dei disturbi irradiati da switched-mode power
supplies (SMPS), a bassa frequenza ed in
condizioni di accoppiamento debole. È noto
che le emissioni irradiate dovute alle correnti di
modo comune sono la parte prevalente dei disturbi irradiati da un qualunque circuito elettronico. Le emissioni irradiate da correnti di modo
comune possono essere caratterizzate in termini di: a) una specifica sorgente funzionale, b)
un meccanismo di sorgente EMI (pilotato dalla
corrente o dalla tensione), c) una via d’accoppiamento e d) una antenna EMI (ad esempio,
cavi, dissipatori, aperture).
Le correnti nel primario e nel secondario del
trasformatore di un SMPS sono magneticamente accoppiate con il circuito vittima e, in
condizioni di accoppiamento debole, il fenomeno può essere descritto tramite un generatore di tensione pilotato in corrente, mentre le tensioni sui dissipatori dei transistors di potenza sono elettricamente accoppiate con il circuito vittima e l’accoppiamento può essere
descritto tramite un generatore di corrente pilotato in tensione. Gli accoppiamenti elettrico
e magnetico tra un SMPS e una vittima di
riferimento sono stati rappresentati da circuiti
equivalenti contenenti i generatori pilotati sopra menzionati ed opportuni parametri di accoppiamento, che possono essere facilmente determinati. Tali circuiti equivalenti consentono di predire le tensioni di disturbo su
una vittima di riferimento, quale una Antenna
a Triplo Loop, e quindi i campi elettrico e
magnetico emessi dal convertitore.
Per validare il modello proposto è stata utilizzata come vittima di riferimento una antenna
a triplo loop sensibile sia al campo magnetico sia al campo elettrico attraverso un sistema elettro-ottico.
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Argomento: EFFICIENZA DI SCHERMATURA DI MATERIALI DISPERSIVI
Nominativi di
riferimento: U. Reggiani, L. Sandrolini
L’attività di ricerca condotta in questo settore riguarda lo studio delle proprietà elettriche
dei materiali dispersivi per predirne l’efficienza di schermatura alle onde elettromagnetiche. L’attività, in parziale collaborazione con ricercatori stranieri del mondo industriale, è
orientata in particolare allo studio di metodi per predire l’efficienza di schermatura di materiali da costruzione, con riferimento al calcestruzzo. Una delle motivazioni di questa attività
di ricerca è rappresentato dalla crescente attenzione alla protezione di centri di controllo e
di elaborazione dati in cui si trovano apparecchiature elettriche e/o elettroniche e che possono essere fatte oggetto di eventuali attacchi intenzionali di terrorismo elettromagnetico.
Naturalmente, questi studi hanno un importante
riscontro anche in ambito civile e industriale, sia
per limitare i disturbi elettromagnetici all’interno
di edifici, sia per ridurre i rischi per la salute
delle persone derivanti dall’esposizione alle onde elettromagnetiche. In un materiale, quale il
calcestruzzo, si tiene conto dei fenomeni in cui
ha luogo dissipazione di energia introducendo
una permittività complessa, la cui parte reale è
una permittività effettiva e la cui parte immaginaria è legata alla conducibilità effettiva del
materiale secondo una relazione di proporzionalità inversa con la frequenza. Le proprietà
elettriche che si misurano sperimentalmente, ovvero permittività effettiva e conducibilità
effettiva, dipendono dalla frequenza e possono essere usate, sotto opportune ipotesi semplificative, per calcolare l’efficienza di schermatura di uno schermo piano infinito mediante
la teoria classica delle linee di trasmissione. Strutture schermanti più complesse e comunque non ideali possono essere studiate con l’ausilio di simulatori numerici commerciali nei
quali le proprietà elettriche sono rappresentate mediante modelli analitici. Tra i modelli implementati quello che meglio riproduce il comportamento in frequenza del calcestruzzo è il
modello di Debye esteso, in cui si introduce un termine addizionale nella parte immaginaria della permittività complessa per tenere conto delle perdite di energia dovute alla conducibilità elettrica del calcestruzzo. I parametri del modello di Debye necessari per
l’implementazione nei codici di calcolo sono ricavati adattando il modello teorico ai dati sperimentali (permittività effettiva e conducibilità
effettiva) con un algoritmo basato sul metodo
dei minimi quadrati del tipo Marquardt-Levenberg. Il confronto tra la predizione dell’efficienza
di schermatura ottenuta con un simulatore numerico e quella ottenuta analiticamente con
l’approccio classico della teoria delle linee di
trasmissione ha mostrato buon accordo per calcestruzzi aventi diverso contenuto di umidità in
volume.
La procedura può essere applicata anche ad altri materiali dispersivi quali i polimeri, sempre maggiormente utilizzati per contenitori di apparecchiature elettriche e/o elettroniche.
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Argomento: MODELLISTICA E CALCOLO DELLE EMISSIONI IRRADIATE DA
CAVI E CIRCUITI STAMPATI
Nominativi di
riferimento: G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini
L'attività di ricerca è rivolta alla messa a punto di modelli matematici per la previsione dei
disturbi elettromagnetici irradiati da circuiti elettrici ed elettronici. Si considerano i casi di
conduttori rettilinei, costituiti da cavi di alimentazione ed interconnessione, e di piste di circuiti stampati, percorsi da correnti ad alta frequenza.
Per la determinazione del campo elettromagnetico irradiato da cavi di interconnessione, si
utilizzano due diversi approcci. Nel primo i due cavi sono trattati come una coppia di dipoli
hertziani ed il campo elettrico nella regione di campo lontano è calcolato con formule analitiche relativamente semplici. Il secondo approccio consiste nel suddividere ciascun conduttore in un numero opportuno di elementi assimilabili a dipoli elettrici corti, nei quali si possa
considerare costante il fasore della corrente relativo ad ogni frequenza di interesse. Il campo
elettromagnetico irradiato dai conduttori è ottenuto mediante composizione delle componenti
spazio-temporali (tenendo conto anche dei
tempi di ritardo) riferibili a ciascun dipolo hertziano secondo il principio di sovrapposizione
degli effetti. Con questo modello è possibile anche valutare il campo vicino. E' stata pure studiata l'influenza sul campo elettromagnetico irradiato di un piano conduttore posto a varie distanze dai cavi. In particolare, variando la
distanza del piano conduttore dai cavi, è possibile mettere in risalto l’effetto che esso ha
sui disturbi irradiati dalle correnti di modo comune, disturbi che si attenuano avvicinando il
piano conduttore. Numerose prove sperimentali hanno consentito di validare i modelli e le
procedure di calcolo adottate.
Per la modellazione delle piste di circuiti stampati, si calcolano preliminarmente i parametri
per unità di lunghezza dei loro diversi tratti rettilinei. La successiva rappresentazione con
circuiti equivalenti a parametri concentrati offre un certo numero di gradi di libertà, che
suggerisce di esaminare e confrontare differenti possibili strutture circuitali a parametri
concentrati (singole o iterative) allo scopo di
mettere in evidenza l'eventuale loro maggiore
o minore accuratezza rispetto ai valori di campo irradiato misurati. Le diverse topologie a
parametri concentrati sono analizzate con la
teoria delle linee di trasmissione e l’ausilio di
un simulatore circuitale. La metodologia messa a punto prevede che, una volta determinati
i parametri per unità di lunghezza e scelto il
modello a parametri concentrati, si calcolino
le correnti nelle tracce ed il loro spettro in frequenza al fine di eseguire il calcolo, con uno
dei due modelli descritti sopra, del contenuto spettrale e della distribuzione spaziale dei
campi irradiati.
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Argomento: PREVISIONE DI ACCOPPIAMENTI ELETTROMAGNETICI IN
AMBIENTE RISONANTE
Nominativi di
L'attività di ricerca è rivolta alla messa a punto di un metodo per la previsione degli accoppiamenti elettromagnetici all’interno di contenitori metallici risonanti. Il metodo si basa
sull’analogia tra una guida d’onda rettangolare monomodale e una linea di trasmissione,
ovvero fra la potenza trasportata da un modo di propagazione nella guida d’onda e quella
trasportata dalla linea di trasmissione equivalente. Le strutture irradianti e riceventi fondamentali considerate in questo studio sono conduttori rettilinei e spire, modellabili rispettivamente mediante monopoli/dipoli elettrici e dipoli magnetici, aventi posizione completamente
arbitraria entro il contenitore metallico. L’accoppiamento elettromagnetico può essere rappresentato in termini di circuiti equivalenti per le
strutture irradianti e riceventi e di linee di trasmissione per i percorsi di propagazione della
guida d’onda multimodale. Per determinare le
impedenze di radiazione dei monopoli/dipoli elettrici e dei dipoli magnetici, necessarie per calcolare l’accoppiamento tra gli stessi, sono stati
sviluppati e validati sperimentalmente modelli circuitali empirici dipendenti dai parametri
geometrici delle stesse antenne elementari. Ciò consente di conferire al metodo maggiore
efficienza ed elasticità operativa. L’accoppiamento tra un’antenna elementare e un modo
di propagazione TE o TM nel contenitore metallico (una guida d’onda monomodale), modellato come una guida d’onda cortocircuitata agli estremi, avviene mediante capacità mutue e/o induttanze mutue e viene rappresentato tramite generatori pilotati. La sezione della
linea di trasmissione tra la sorgente e la vittima viene modellata con un doppio bipolo. Il
circuito equivalente può essere facilmente modificato per considerare modi di propagazione di ordine superiore a quello caratterizzato dalla frequenza di taglio più bassa (TE10).
Occorre aggiungere al circuito rappresentativo
dell’accoppiamento elettromagnetico, per ogni
ulteriore modo di propagazione, una linea di
trasmissione equivalente, con generatori di
tensione e di corrente e impedenze di valore
opportuno. Il circuito equivalente così ottenuto
può venire risolto mediante l’analisi nodale.
Numerose prove sperimentali hanno consentito
di validare i modelli e le procedure di calcolo
adottate.
Il metodo è stato inoltre esteso per trattare gli
accoppiamenti tra monopoli/dipoli elettrici e/o
dipoli magnetici in presenza di piani metallici. A
tale fine, si è sfruttata un’analogia con un’impedenza inserita in parallelo ad una linea di trasmissione.
L’obiettivo finale della metodologia è di sviluppare un codice di calcolo che consenta la
previsione degli accoppiamenti elettromagnetici tra circuiti stampati e altre strutture irradianti, quali ad esempio cavi di interconnessione, all’interno di contenitori metallici.
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Argomento: SCHERMI MULTISTRATO PER CAMPI MAGNETICI A BASSA
FREQUENZA
Nominativi di
L’attività di ricerca è rivolta allo sviluppo di una metodologia analitica per il calcolo
dell’efficienza di schermatura magnetica di schermi infiniti multistrato. Gli schermi considerati sono piani o cilindrici, in presenza di configurazioni arbitrarie di alcune sorgenti tipiche.
Le proprietà schermanti di ciascuno strato sono compendiate da una matrice ottenuta raggruppando relazioni analitiche di trasferimento tra grandezze continue alle due interfacce
del medesimo strato. Tali grandezze sono rappresentate dalle componenti tangenziale del
campo e normale dell’induzione magnetica, che, nell’ipotesi di quasi-stazionarietà, sono
ottenute risolvendo l’equazione della diffusione magnetica in tutte le regioni in cui risulta
suddiviso il dominio di studio e applicando opportuni sviluppi in serie o trasformate (a seconda della geometria del problema considerato). Con questa procedura è possibile ottenere agevolmente le relazioni di trasferimento in forma semplice. La continuità delle grandezze considerate e degli operatori ad esse applicati consente di rappresentare l’intero
schermo attraverso il prodotto di matrici e, in ultima analisi, mediante un’unica matrice di
trasmissione. Quest’ultima permette di ottenere una funzione di trasferimento che pone in
relazione le componenti del campo magnetico nella regione schermata con quelle del
campo sorgente. L’operazione di trasformazione inversa, o la corrispondente integrazione
numerica quando la prima non sia possibile in modo diretto, fornisce il risultato cercato.
Tra i vantaggi di questa metodologia si sottolinea il fatto che le condizioni di raccordo fra
strati adiacenti sono soddisfatte in modo automatico dal prodotto delle matrici. Inoltre il
confronto tra schermi, costituiti da strati diversi per disposizione e/o numero, si ottiene facilmente intervenendo opportunamente nel prodotto delle relative matrici. Infine, i tempi
per il calcolo dell’efficienza di schermatura in alcuni punti della regione schermata sono
inferiori rispetto a quelli richiesti dalla soluzione fornita da un programma agli elementi finiti. I risultati ottenuti nei due casi sono, peraltro, in ottimo accordo.
Si è inoltre studiata l’ottimizzazione di schermi
multistrato per campi magnetici generati da
correnti periodiche non sinusoidali (ottimizzazione multifrequenza). L’ottimizzazione si prefigge l’obiettivo di determinare il minimo volume complessivo dello schermo (e quindi il
minimo spessore, trattandosi di geometrie piane e cilindriche), rispettando il vincolo di mantenere il campo induzione magnetica al di sotto di un livello di soglia prefissato ad una distanza dalla/e sorgente/i pure prefissata. In
condizioni di funzionamento lineare degli
schermi, la forma d’onda caratteristica della sorgente può essere sviluppata in serie di
Fourier e la determinazione dell’efficienza di schermatura può essere ricondotta allo studio
dell’attenuazione, dovuta allo schermo, del campo magnetico prodotto da ciascuna singola
armonica della sorgente. Si sono dapprima individuati i limiti di validità dell’approssimazione quasi-magnetostatica, ricavando il valor massimo ammissibile della frequenza in funzione della distanza tra sorgente e punto campo. Oltre ad un algoritmo di tipo euristico è
stato anche applicato un algoritmo basato sull’ottimizzazione a sciame.
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Argomento: STUDIO DI AMBIENTI DI MISURA COMPATTI PER PROVE DI
COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
Nominativi di
riferimento: G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini
La ricerca riguarda lo studio di possibili ambienti di misura compatti per prove di compatibilità elettromagnetica (EMC) in pre-conformità e in conformità. Questi tipi di ambienti possono essere utilizzati per effettuare prove EMC su apparecchiature elettriche e/o elettroniche di dimensioni ridotte, diminuendo notevolmente i costi ed i tempi necessari rispetto a
quelli richiesti nei tradizionali siti di misura, quali i siti all’aperto
(OATS) e le camere semianecoiche (SAC). Questa possibilità risulta di notevole interesse per le piccole e medie industrie, per le
quali al problema del reperimento logistico e tecnico di un sito
adatto a diventare OATS si somma l’impossibilità di avere una
SAC a basso costo e a completa disposizione. In questo ambito
si inserisce l’utilizzo di celle Gigahertz Transverse ElectroMagnetic (GTEM), ambienti di misura compatti, a basso costo di
costruzione e manutenzione, che possono essere utilizzati per
prove di emissione ed immunità irradiata in conformità con la
IEC 61000-4-20. Le prove eseguite in questi ambienti compatti
devono essere correlate con quelle in OATS o in SAC mediante
algoritmi di correlazione. Nell’ambito della ricerca, è stato sviluppato ed implementato al calcolatore un algoritmo di correlazione
basato sul metodo della potenza totale irradiata. L’algoritmo proposto consente di tenere conto della presenza di cavi di alimentazione e/o
segnale collegati al dispositivo in prova (EUT) e
di considerare EUT con elevata direttività. Nel
corso della ricerca è stata realizzata e calibrata
una cella GTEM di circa 2 m di lunghezza, utilizzata, insieme ad una SAC di altro ente, per la
validazione dell’algoritmo di correlazione.
Inoltre, come attività complementare, si sono
studiate celle di tipo GTEM con sezione trasversale diversa da quella rettangolare tradizionale allo scopo di ottenere una più uniforme
distribuzione di campo nella regione di misura
all’interno della cella. Ad esempio, in una sezione trasversale semicircolare con setto curvo la distribuzione del campo elettrico è più uniforme all’interno del volume di prova e le frequenze di risonanza sono spostate verso la
parte superiore dello spettro di misura, migliorando il comportamento elettromagnetico della
cella. Sono state studiate anche celle cubiche
nelle quali il campo elettromagnetico è irradiato da un’antenna a banda larga posta sul fondo della cella, che presenta la possibilità di utilizzare un maggior volume di prova con una
buona uniformità del campo elettrico in un intervallo di frequenza più ristretto.
70
Area di Ricerca: 3. Ingegneria dei plasmi
Argomento: DIAGNOSTICHE IMAGING ED A MICRO-ONDE PER LO STUDIO DI
PLASMI
Nominativi di
riferimento: C. A. Borghi, M. R. Carraro, A. Cristofolini, G. Neretti
La diagnostica per l’imaing del plasma del laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi (LIMP) è resa possibile da due fotocamere CCD, modello PCO fast shutter,
ed una fotocamera di tipo image converter.
Tramite le fotocamere PCO fast shutter è possibile ottenere immagini con tempi di esposizione fino ad un minimo di 100 ns. Con la fotocamera image converter si registrano da 6 a
10 immagini del plasma in sequenza, con tempi di apertura ed intervalli di tempo fra
un’immagine e la successiva dell’ordine del μs. Oltre al modo framing, descritto in precedenza, è anche possibile utilizzare tale apparato nel modo streak in cui un’immagine (solitamente una fenditura) vienine fatta avanzare con velocità fissata sullo schermo di uscita
della fotocamera durante il tempo di apertura del diaframma. Sia dalla sequenza delle immagini sia dall’immagine streak è possibile quindi conseguire informazioni sullo sviluppo di
una struttura non uniforme del plasma.
Utilizzando una delle fotocamere PCO è stata anche messa a punto la fotografia Schlieren, per mezzo della quale è possibile evidenziare i gradienti di densità presenti in flussi di
gas o plasma, in particolare nello strato limite che si crea in presenza di pareti solide.
Inoltre è stata messa a punto recentemente una tecnica diagnostica a micro-onde. Monitorando il grado di assorbimento di un fascio di micro-onde a differenti frequenze che
attraversa un plasma, è possibile ottenere la densità elettronica del plasma stesso e la
frequenza di collisione elettroni-particelle pesanti. La frequenza massima delle micro-onde
generate è di 18.5 GHz. Con questo apparato è possibile rilevare densità elettroniche fino
a 4×1018 m3.
Presso il LIMP queste tecniche sono state applicate per lo studio del plasmi in propulsori
MPD, in una galleria ipersonica e per monitorare gli strati limite ipersonici e subsonici in
presenza ed assenza di un campo magnetico applicato.
Fig. 1. Strato limite ipersonico in assenza
e in presenza di un campo magnetico.
Fig. 2. Propulsore magnetoplasmadinamico
in differenti regimi di alimentazione.
Fig. 3. Fotografia Schlieren dello strato limite termico di una scarica a barriera planare.
71
Argomento: DIAGNOSTICHE SPETTROSCOPICHE NEI PLASMI
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M.R. Carraro, A. Cristofolini, G. Neretti
L’indagine spettrografia riguarda il segnale luminoso emesso (od anche assorbito) da un
plasma rilevato da sensori posti all’esterno del plasma stesso. Tale diagnostica non arreca
alcuna perturbazione al plasma, cioè è non-intrusiva. Per l’indagine spettroscopica nel Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi (LIMP) sono disponibili tre monocromatori (due Oriel di 125 mm di lunghezza focale ed un Yobin Ivon di 460 mm di
lunghezza focale) e due analizzatori di spettro multicanale (un Mechelle 900 ed un
Avantes). Inoltre il monocromatore Yobin Ivon accoppiato ad una fotocamera CCD viene
utilizzato come spettrografo multicanale ad elevata risoluzione. Tramite gli apparati menzionati è stata analizzata la radiazione di linea e di ricombinazione emessa dal plasma.
Dai segnali ottenuti dalla misura delle radiazioni di linea (Fig. 1) si risale a quali elementi
sono presenti nel plasma ed al grado di ionizzazione di tali elementi. Inoltre dalla radiazione di linea emessa sono state determinate la densità popolazione degli stati eccitati del
gas e la temperatura di popolazione. Sono state ottenute informazioni sul particolare regime di equilibrio del plasma. Dalla misura delle radiazioni emesse dalla ricombinazione
elettrone-ione (continuo di ricombinazione) sono state ottenute informazioni sulla distribuzione dell’energia elettronica ed è anche stata ricavata la temperatura degli elettroni.
La densità elettronica è stata derivata con più metodi. Nota la temperatura elettronica è
possibile ottenere la densità degli elettroni dalla radiazione di ricombinazione emessa ad
una data lunghezza d’onda. La densità elettronica è anche stata ricavata dal profilo delle
linee di emissione di alcune linee spettrali (stark broadening, Fig. 2).
L’indagine spettrografia al LIMP è utilizzata per lo studio di plasmi derivanti da differenti
gas ed ottenuti da scariche elettriche di vario tipo. Tra di essi si segnalano la caratterizzazione del plasma nel getto di un propulsore magneto-plasma-dinamico, in arc-heaters, in
scariche a barriera, in strati limite ipersonici in presenza di interazione MHD ed in strati limite subsonici con interazione EHD.
3.5E+04
H - Alpha
450
3.0E+04
400
350
2.0E+04
300
[A.U.]
[A.U.]
2.5E+04
1.5E+04
1.0E+04
250
200
150
100
5.0E+03
50
0.0E+00
390
440
0
654
490
[nm]
655
656
657
658
[nm ]
Fig. 2. Profilo di una linea dell’idrogeno α.
Fig. 1. Spettro di emissione dell’Argon.
72
659
Argomento: INTERAZIONE EHD IN FLUSSI SUBSONICI
Nominativi di
La scarica a barriera a pressione atmosferica è stata studiata ed utilizzata per diverse applicazioni sin dagli anni trenta. Essa permette, tramite un’alimentazione in alta tensione ed
alta frequenza, di creare un plasma uniforme con una spesa energetica per la ionizzazione
del gas inferiore rispetto ad altri tipi di plasma. Lo studio su questa tematica è svolto dal
Gruppo di Ricerca Magnetofluidodinamica e Plasmi del DIE.
Una delle applicazioni più interessanti emersa negli ultimi anni, deriva dalla possibilità di
usare questo tipo di plasmi per influenzare il profilo di velocità nello strato limite di un
corpo in moto in un gas. Si dimostra che la forza agente sulle particelle cariche presenti
nel fluido è proporzionale al modulo del campo elettrico elevato al quadrato. Conseguentemente il campo elettrico che sostiene il plasma, agisce con una pressione di tipo elettrico
sul plasma stesso: se e gli elettrodi sono disegnati opportunamente, si riesce ad ottenere
un gradiente di pressione elettrica agente unidirezionalmente e capace di rallentare o di
accelerare il flusso (interazione EHD). Un attuatore aerodinamico EHD di questo tipo presenta numerosi vantaggi: in primo luogo, permette di avere un controllo con tempi di risposta nulli, a differenza degli usuali controlli aerodinamici limitati dalla loro inerzia. In seconda battuta, permette di aggiungere momento al fluido che lambisce un profilo fluidodinamico, generando una riduzione degli stress viscosi e prevenendo il distacco della vena.
Nel laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi, in un apposito apparato
sperimentale si studia l’interazione tra la scarica a barriera ed un flusso laminare in aria
(Fig. 1). Un pannello di plasma viene testato all’interno di una piccola galleria del vento a
configurazione aperta, azionata da un inverter. La sezione della galleria è di 120 X 140
mm e la massima velocità ottenibile è pari a 32 m/s. Il plasma è creato sopra un pannello
piano di teflon. Il gap interelettrodico è normalmente dell’ordine di 1 mm e lo spessore
dell’isolante è di 0,8 mm. Il sistema di alimentazione prevede l’utilizzo di un amplificatore di
potenza trifase collegato a tre trasformatori in ferrite, in grado di sostenere le tensioni e le
frequenze richieste. La distribuzione della velocità nello strato limite è studiata per mezzo
di un sistema di tubi di Pitot (Fig. 2). La caratterizzare del plasma è fatta anche utilizzando
diagnostiche elettriche e spettroscopiche.
Free Flow Velocity 1.03 ms-1 Re 1.236*E4
Signal Reference
3500
To Oscilloscope
3000
[um]
Push-Puller Amplifier
To Oscilloscope
10:1 Current
Transformer
3kHz
2000
6kHz
1500
9kHz
1000
No plasma
500
High Voltage
Transformer
15kHz
230/15000V
2500
0
Pitot
0
2
4
6
[ms-1]
Flow
Free Flow Velocity 15.86 ms-1 Re 1.9032*E5
Capacitive
Compensated
High Voltage
Probe
Ε(t)
3500
[um]
3000
To
Oscilloscope
2500
3kHz
2000
6kHz
1500
9kHz
1000
No plasma
500
1Ω
Current
Shunt
0
10
11
12
13
14
15
[ms-1]
Fig. 1. Set-up Sperimentale.
Fig. 2. Misura dello strato limite a 1 e 16m/s.
73
Argomento: PROPULSORI MPD PER IL TRASPORTO SPAZIALE
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M.R. Carraro, A. Cristofolini
La ricerca riguarda l’analisi sperimentale del funzionamento di propulsori elettrici magnetoplasma-dinamici (MPD) per il trasporto spaziale. I propulsori in oggetto sono di potenza
intermedia e risultano particolarmente adatti per le missioni interplanetarie quali ad esempio le missini dirette a Marte. Lo studio su questa tematica è svolta dal Gruppo di Ricerca
Magnetofluidodinamica e Plasmi del DIE.
L’azione propulsiva è ottenuta dalla quantità di moto acquisita dalle particelle cariche del
plasma uscente dall’ugello del propulsore. La corrente elettrica, che fluisce fra il catodo,
posto sull’asse del propulsore e i gli anodi, lamelle di rame poste lungo le sue pareti (Fig.
1), induce un campo magnetico azimutale che si compone con la corrente stessa e dà origine ad una forza di Lorentz agente sulle particelle cariche. Il plasma, ottenuto da gas argon nel caso in esame, risulta quindi essenziale sia per il trasporto della corrente che genera il campo magnetico, sia per la presenza di particelle cariche su cui agisce la forza di
Lorentz e che quindi producono l’azione propellente. Risulta quindi di fondamentale importanza il regime del plasma che caratterizza il particolare funzionamento del propulsore.
Al fine di studiare l’efficienza del propulsore MPD vengono analizzate le caratteristiche del
plasma per mezzo di diagnostiche spettrografiche, di imaging e con sonde elettrostatiche.
Dallo spettro di emissione si determina la temperatura di popolazione dei livelli energetici
dell’argon, la temperatura elettronica ed anche la densità elettronica. Lo spettro mostrato
in Fig. 2 è stato registrato per mezzo di un analizzatore di spettro Mechell 900. L’imaging
del plasma mette in luce la struttura del plasma e le disuniformità che spesso sono responsabili di non-linearità nel comportamento del propulsore. Le diagnostiche descritte
sono non-intrusive e non interferiscono con il plasma. Le grandezze tipiche del plasma,
quali temperatura e densità elettronica e sua struttura, sono anche state studiate per
mezzo di sonde elettrostatiche. Tale diagnostica è di tipo intrusivo.
Le misure fatte hanno messo in evidenza un plasma lontano dall’equilibrio termodinamico.
L’argon risulta essere completamente ionizzato con la presenza sia di argon singolarmente ionizzato sia di argon ionizzato due volte. La distribuzione delle popolazioni dei livelli energetici dell’argon non segue l’andamento di equilibrio essendo l’eccitazione dei livelli più elevati molto elevata. L’imaging mette in evidenza una scarica non uniforme durante lo start up del plasma che tende poi a divenire uniforme.
500
Intensity [uW /cm ^2nm ]
> 4000
400
300
200
100
0
300
400
500
600
700
800
900
Wavelength [nm]
Fig. 1. Ugello del propulsore MPD.
Fig. 2. Spettro della radiazione emessa
dal plasma MPD.
74
Fig. 3. Plasma MPD all’uscita
dell’ugello allo start-up.
Argomento: SCARICA A BAGLIORE IN ATMOSFERA
Nominativi di
La produzione di plasma uniforme in un volume finito a pressione atmosferica in aria è un
problema di primaria importanza per l’ingegneria dei plasmi. La scarica a barriera è l’unico
meccanismo che permette di ottenere tale volume diffuso con una bassissima spesa di
energia per sostenere la scarica (pochi mW/cm3). Lo studio su tale argomento è svolto dal
Gruppo di Ricerca Magnetofluidodinamica e Plasmi del DIE.
La scarica a barriera si realizza quando due elettrodi vengono affacciati in un gap interelettrodico di pochi mm. Il regime di scarica a barriera si instaura se almeno una delle due
facce degli elettrodi è isolata e se si applica una alimentazione con frequenze dell’ordine
dei kHz e tensioni dell’ordine dei kV. In presenza di tale regime, ad una ionizzazione causata dal campo elettrico applicato si aggiunge la ionizzazione del plasma che avviene per
urto: in queste condizioni gli ioni rimangono “congelati” nello spazio interelettrodico in virtù
della loro massa, lasciando gli elettroni liberi di muoversi e collidere con le particelle
pesanti.
Molte sono le applicazioni di questo tipo di scarica: il trattamento ed energizzazione dei
materiali, la sterilizzazione di gas o liquidi od anche la possibilità di modificare gli strati limite fluidodinamici. Il laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi studia i
plasmi ottenuti da scarica a barriera in diverse configurazioni. In Fig. 1 è mostrato lo schema dell’apparato sperimentale utilizzato. Sono stati appositamente sviluppati dei sistemi di
alimentazione per poter creare scariche a barriera tanto tra due elettrodi piani (Fig. 2),
quanto in geometrie planari: sono esplorabili differenti regimi di frequenza e tensione. Per
la caratterizzazione del plasma si applicano diagnostiche di tipo elettrico e spettroscopico:
dalla caratteristica elettrica si deriva la densità elettronica (Fig. 3), le misurare spettroscopiche permettono di valutare tanto la temperatura vibrazionale quanto quella rotazionale
che offre la misura diretta della temperatura del gas (Fig. 4).
Signal
Reference
Push-Puller
Amplifier
Matching
Network
To Oscilloscope
To Oscilloscope
For Triggering
Current Transformer
10:1
High Voltage Transformer
15kHz 230/15000V
Capacitive Compensated
High Voltage Probe
To Oscilloscope
Micanite Sheets
To Oscilloscope
1Ω Current Shunt
Fig. 1. Set up per la scarica a barriera.
Fig. 2. Scarica a barriera.
1,E+10
3,5E+03
[K]
2,E+10
4,0E+03
5,E+09
3,0E+03
2,5E+03
0,E+00
3
8kV
9kV
10kV
5
7
9
11
13
8kV
9kV
10kV
[ kHz]
Fig. 3. Densità elettronica per differenti frequenze
e tensioni di alimentazione.
3
5
7
9
11
13
[kHz]
Fig. 4. Temperatura per differenti frequenze
e tensioni di alimentazione.
75
Area di Ricerca: 4. Ingegneria magnetofluidodinamica
Argomento: CENTRALI ELETTRICHE AD EMISSIONE NULLA CON IMPIANTO DI
TESTA MHD
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, A. Cristofolini, P.L. Ribani
Lo studio svolto al DIE sulle centrali elettriche ad emissione nulla nell’atmosfera, riguarda
un ciclo combinato con impianto di testa costituito da un ciclo chiuso MHD ed impianto di
coda costituito da un ciclo a vapore (Fig. 1).
Il generatore MHD della centrale elettrica considerata è operante in anidride carbonica.
Prima del suo ingresso nel generatore la CO2 è additivata con carbonato di potassio al fine
di elevare la ionizzazione e conseguentemente la conducibilità elettrica del gas. All’uscita
del generatore, ove avviene l’espansione del gas con generazione di potenza elettrica,
l’anidride carbonica viene immessa in un recuperatore di calore (3) e quindi cede il calore
residuo al vapore nello scambiatore (9). In tal modo il calore rilasciato dall’impianto di testa
MHD viene convertito in energia elettrica dal ciclo a vapore. Viene quindi generata potenza elettrica sia dal generatore del ciclo MHD sia dal turbo-alternatore del ciclo a vapore.
Una parte del gas di CO2 in uscita dallo scambiatore (9) viene nuovamente compresso,
riscaldato in (3) ed immesso nel combustore. La rimanente parte di CO2 viene separata
dal flusso principale. Questa parte del gas di CO2 viene compresso a 73 bar e passa alla
forma liquida pronta per lo stoccaggio. Il flusso di gas immesso nel combustore (1) viene
riscaldato dal calore ed additivata della CO2 generati dalla reazione di combustione. La
quantità di CO2 qui prodotta è pari a quella separata dal flusso principale per essere compressa e liquefatta. Il flusso del gas di viene quindi reimmesso nel generatore MHD ove
viene nuovamente fatto espandere.
Lo studio dell’impianto descritto riguarda centrali di potenza. Per una centrale di 1000 MW
termici il rendimento globale dell’impianto, come risultato di un processo di ottimizzazione
parametrico, è superiore al 40 %. L’impianto di compressione e liquefazione dell’anidride
carbonica assorbe circa il 12 % della potenza termica.
Questo studio riguarda un progetto di ricerca proposto anche alla Commissione UE.
Coal
Seed
2
1
4
4
5
3
CO2
loop
Steam
cycle
6
9
Oxygen
11
7
10
CO2 solution
Liquid CO2
8
8
8
12
Fig. 1. Scema di un impianto combinato MHD ad emissione zero.
76
Argomento: CONDOTTI MHD CON PLASMA NON UNIFORME
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, A. Cristofolini, P.L. Ribani
In un generatore MHD il gas ionizzato (plasma) è soggetto alla forza accelerante
dell’espansione nel condotto divergente. Contemporaneamente, poiché il condotto MHD è
immerso in un campo magnetico, il plasma, qualora sia attraversato da una corrente
elettrica, viene frenato dalla forza di Lorentz. Grazie all’interazione di queste due forze,
parte dell’energia termica e dinamica del plasma viene trasferita al flusso delle cariche
elettriche e quindi viene convertita in energia elettrica utilizzabile.
In un condotto ove il plasma non è uniforme, ma dove al suo ingresso vengono generate
regioni calde di gas ionizzato (vene di plasma) alternate a gas più freddo e non ionizzato,
queste due azioni sono separate (Fig. 1). La corrente elettrica che attraversa il plasma
delle regioni calde, in presenza del campo magnetico, induce una forza di Lorentz che si
oppone al moto delle vene di plasma e le frena. Fra una vena e l’altra il gas espande e
spinge le vele concordemente al proprio moto verso l’uscita del condotto. In questo modo
si genera quindi l’iterazione MHD che converte l’energia da termodinamica in elettrica.
La ricerca in oggetto è un’indagine teorica e sperimentale di questo tipo di generatore. In
Fig. 2 è mostrata l’immagine di una vela di plasma generata all’imbocco di un condotto di
un impianto sperimentale, ed in moto con velocità pari alla velocità del gas. L’immagine è
ottenuta per mezzo di fotografia rapida image
converter nel modo streak. La vela di plasma
u
viene osservata mantenere la propria struttura
contratta fino alla fine del condotto. Nella figura
viene anche riportata la ricostruzione numerica
y
x
RL
del processo. La potenza elettrica estratta da
z
un generatore di tipo industriale in funzione del
tempo è riportata in Fig. 3.
Questa ricerca è eseguita in collaborazione frail
Gruppo di Ricerca Magnetofluidodinamica e
Plasmi del DIE, l’Università Tecnologica di
Eindhoven (Olanda) e l’Accademia delle
Scienze Russa – IVTAN di Mosca.
B
Fig. 1. Schema di generatore MHD
a vele di plasma.
1,2E+07
Ideal gas without losses
Ideal gas with losses
El. Power (W)
1,0E+07
real gas with losses (high temperature)
8,0E+06
6,0E+06
4,0E+06
2,0E+06
0,0E+00
0,0E+00 1,0E-02 2,0E-02 3,0E-02 4,0E-02 5,0E-02 6,0E-02 7,0E-02 8,0E-02
time (s)
Fig. 2. Immagine di una vela di plasma e sua
ricostruzione numerica.
Fig. 3. Potenza elettrica estratta da un generatore di
potenza in funzione del tempo .
77
Argomento: IMPIANTI MHD A CARBONE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA
ELETTRICA SU GRANDE SCALA
Nominativi di
riferimento: F. Negrini
Dal 1987 al 2003 il Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica è stato la Sede del
Coordinamento delle attività del Consorzio Industriale MHD, del Consorzio SAES e delle
Collaborazioni Internazionali con il DOE (Ministero dell’Energia USA ed AVCO) e con l’Accademia delle Scienze Russa (IVTAN-Mosca): tali collaborazioni sono state sostenute dal
MICA (Ministero dell’Industria Italiano) e da CNR, ENEA ed ENEL (F. Negrini “MHD electrical power generation: clean energy from coal for the next century”, New Electricity 21,
IEA Conference, Tokyo, 1992).
In particolare sono stati progettati impianti MHD da 300 MW del tipo RETROFIT o REPOWERING di centrali termoelettriche italiane (Enichem-Anic a Ravenna e a Brindisi) e l’
impianto by-pass della centrale U-25 russa da 30 MW.
L’approccio retrofit rappresenta un metodo efficace per
ridurre il tempo ed i costi necessari per verificare la competitività di questa tecnologia. L’aggiunta di un topper
MHD ad un impianto esistente alimentato a combustibili fossili permette di acquisire: aumento del rendimento totale, aumento della
capacità generatrice di due o
tre volte e drastica riduzione
delle emissioni inquinanti.
78
Argomento: IMPIANTI MHD A GAS NOBILI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA
ELETTRICA SU GRANDE SCALA
Nominativi di
riferimento: F. Negrini
Il Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica dell’Istituto di Elettrotecnica dell’Università di Bologna (1976) deve la sua origine all’intensa e proficua attività di ricerca svolta negli anni ’70 presso il “Laboratorio Conversione Diretta dell’Energia” del CNEN di Frascati.
In quegli anni [1] è stato sperimentalmente dimostrato per la prima volta che da un generatore MHD a gas nobile (elio additivato con cesio a 1750 K con 1.5 MWth di input) è possibile ricavare densità di potenza elettrica pari a 25 MW/m3, cioè al livello richiesto per generatori di taglia industriale. (F. Negrini, “Subsonic and supersonic MHD energy conversion
experiments in Italy” World Electrotechnical Conference (WELC) – Moscow, 1977).
79
Argomento: INTERAZIONE MHD IN FLUSSI IPERSONICI
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M. Breschi, M.R. Carraro, A. Cristofolini, G. Neretti
Le conoscenze riguardo l'interazione MHD/flussi ipersonici divengono di fondamentale importanza per la possibile applicazione di tale tecnologia al volo ipersonico, tecnologia che
ha suscitato negli ultimi anni un crescente interesse, in particolare per il rientro in atmosfera di veicoli spaziali.
Alle alte quote ed elevate velocità, di fronte al veicolo si forma un’onda d’urto, che comprime l'aria e la riscalda. La temperatura raggiunge valori anche superiori a 10.000 K ed è
quindi sufficientemente elevata da produrre una ionizzazione del gas che costituisce
l’atmosfera, tale da sostenere un significativo livello di interazione MHD. Come è illustrato
in Fig. 1, il gas ionizzato, attraversando la regione in cui è stato applicato un campo magnetico, diviene sede di forze elettromotrici che, a loro volta generano delle correnti elettriche. Tali correnti interagiscono con il campo di induzione magnetica e producono una
forza di volume in grado di modificare la configurazione fluidodinamica e di allontanare
l’onda d’urto dal corpo. In questo caso, il flusso di calore verso la parete del mezzo diminuisce con conseguente effetto di protezione termica del veicolo stesso. Inoltre vengono
modificate le forze aerodinamiche frenanti e l'assetto del volo.
Sono inoltre in fase di studio numerose altre applicazioni dell'interazione MHD al volo ipersonico, come il controllo del regime di flusso in ingresso ad un propulsore scramjet o,
come proposto nel concetto AJAX, l’utilizzo dell’interazione MHD per la creazione di un
by-pass che utilizza l’energia cinetica del gas all’ingresso del propulsore scramjet per ottimizzare la combustione.
Il Gruppo di Ricerca Magnetofluidodinamica e Plasmi del DIE ha partecipato a numerose
ricerche aventi come oggetto l’interazione MHD in flussi ipersonici, finanziate dalle agenzie
spaziali italiana (ASI) ed europea (ESA) e dal MIUR. Alcune delle indagini sperimentali,
condotte in collaborazione con Alta-cenrospazio ed altri gruppi di ricerca italiani, hanno
evidenziato gli effetti dell’interazione MHD in flussi di argon ionizzato prodotti da una
galleria ipersonica del vento (Fig. 2) realizzata tramite un riscaldatore ad arco impulsivo
connesso ad un condotto convergente-divergente.
Fig. 1. Schema di principio dell’interazione MHD.
Fig. 2. Esperimenti sull’interazione MHD di un flusso
ipersonico contro un corpo a rampa.
80
Argomento: TECNOLOGIE MHD PER IL MATERIAL PROCESSING
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, F. Negrini, A. Morandi
La crescente richiesta di materiali ad alte prestazioni ha portato, recentemente, all’utilizzo
di forze e campi elettromagnetici per la lavorazione ed il trattamento dei materiali. L’
“Electromagnetic Processing of Materials (EMP)”, che è basato sia sulla Magnetofluidodinamica sia sulla metallurgia tradizionale, sta diventando una pratica sempre più diffusa
nell’industria dei metalli ed in particolare in quella dell’acciaio e dei materiali avanzati. Le
tecniche EPM hanno già evidenziato le loro potenzialità nella realizzazione di nuovi processi e nuovi materiali.
In particolare si è studiata, in collaborazione con la Kawasaki Steel company, l’influenza
del campo magnetico statico sul flusso dell’acciaio in una lingottiera da colata continua in
presenza di argon iniettato dal tuffante (necessario a prevenirne l’ostruzione), al fine di migliorare la qualità superficiale del prodotto di colata e la produttività. In figura sono riportate
le mappe del campo di velocità e le traiettorie delle bolle di Argo in assenza (A) ed in presenza (B) di un campo magnetico orizzontale, uniforme, posizionato sotto il tuffante.
(A)
(B)
I processi elettromagnetici di purificazione rappresentano inoltre un’alternativa innovativa
ai processi elettrochimici convenzionali. Infatti, uno studio sperimentale in collaborazione
con l’Asai Laboratory della Nagoya University ha mostrato come sia possibile rimuovere
inclusioni di SiC da una matrice di cupralluminio liquido utilizzando la forza di magnetizzazione, che si basa sulle diverse suscettività magnetiche della matrice fluida e delle inclusioni. Il metodo è caratterizzato da un’efficienza molto elevata, qualora si disponga di un
campo di induzione magnetica avente intensità di 8 ÷ 12 Tesla (e quindi di un magnete
superconduttore): la figura mostra come, rispetto alla distribuzione omogenea nel provino
non trattato (A), le inclusioni si dispongono al di sopra di una netta linea di segregazione, il
che consente una semplice separazione delle stesse dal metallo puro (B).
(B)
(A)
81
Argomento: TUBO D’URTO MHD A GAS NOBILE
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, F. Negrini
Un tubo d’urto (Fig. 1) è suddiviso in due sezioni. Una di esse è riempita di un gas a pressione elevata. L’altra contiene un gas a bassa pressione. Le due sezioni sono separate
da un diaframma. Quando il diaframma viene rotto il gas ad alta pressione urta violentemente contro il gas a pressione minore e dà origine ad un’onda d’urto che attraversa
quest’ultimo riscaldandolo, comprimendolo ed accelerandolo. In un tubo d’urto MHD il gas
dietro l’onda d’urto è fatto fluire attraverso il condotto di un generatore MHD (Fig. 2) che
converte parte dell’energia termodinamica del gas in energia elettrica.
I tubi d’urto MHD vengono per lo più utilizzati per lo studio della conversione MHD nei gas
nobili. Una collaborazione fra Università di Bologna ed Università Tecnologica di Eindhoven (Olanda), avente per oggetto tale studio, ha avuto inizio negli anni 80 ed è stata attiva per un ventennio. Tale collaborazione è stata finanziata sotto varie forme. Tuttora ricercatori delle due università collaborano lavorando assieme in progetti italiani ed europei.
Il plasma MHD derivante da gas nobile è in non equilibrio ed è caratterizzato da una temperatura elettronica maggiore della temperatura del gas. In tal modo è possibile ottenere
un plasma con conducibilità elettrica sufficientemente elevata a temperature del gas relativamente basse. Questo tuttavia comporta il disaccoppiamento degli elettroni dalle particelle pesanti del gas, rendendo il plasma particolarmente sensibile ai fattori che lo rendono
instabile. Solitamente il plasma MHD a gas nobile si presenta altamente non uniforme e
contratto in filamenti di corrente che congiungono la parete catodica alla parete anodica
del condotto e che viaggiano a velocità vicine alla velocità del gas. Un ulteriore fenomeno
che caratterizza i generatori MHD a gas nobile, è il rilassamento di ionizzazione. Nel plasma MHD in non equilibrio la ionizzazione, e quindi la conducibilità elettrica, è sostenuta
dalla temperatura elettronica che, a sua volta, si eleva sopra la temperatura del gas grazie
al riscaldamento dovuto all’effetto Joule. All’ingresso del condotto la temperatura elettronica è bassa e basso è l’effetto Joule poiché ridotta è la corrente elettrica. Una sufficiente
conducibilità viene generata da un processo transitorio (rilassamento di ionizzazione)
mentre il gas fluisce nella regione iniziale del condotto. La dimensione di questa regione
aumenta con la diminuzione della temperatura di ingresso del gas o con la diminuzione del
campo magnetico applicato, fino ad occupare l’intero condotto e ad annullare l’intero processo MHD.
Fig. 1. Tubo d’urto MHD della
Università di Bologna.
Fig. 2. Generatore MHD alimentato dal tubo
d’urto MHD dell’Università di Bologna.
82
Area di Ricerca: 5. Modellistica ed ottimizzazione di dispositivi elettromagnetici
Argomento: CARATTERIZZAZIONE ELETTRICA DI SORGENTI RINNOVABILI DI
ENERGIA ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: G. L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini
L'attività di ricerca riguarda la caratterizzazione elettrica di pannelli fotovoltaici e di celle a
combustibile.
Per quanto riguarda i primi, si sono determinati i parametri di un tipico circuito elettrico
equivalente per un pannello fotovoltaico al silicio monocristallino da 150 W in condizioni di
funzionamento a regime a partire dalla caratteristica sperimentale corrente-tensione. A tale
fine si è sviluppata e messa a punto una tecnica di calcolo distribuito (parallelo e interlacciato). Un modello circuitale per pannelli fotovoltaici è utile sia in fase di sviluppo, per progettare e migliorare i dispositivi, sia per l’integrazione di queste fonti di energia in sistemi
più complessi. Una caratteristica corrente-tensione di tentativo, che rappresenta la tensione di uscita del circuito equivalente del modulo
fotovoltaico, è adattata alla caratteristica sperimentale mediante un algoritmo iterativo. La
procedura, che appartiene alla classe delle
tecniche numeriche, è basata su un algoritmo
di ottimizzazione a sciame in cui si attua l’interlacciamento dei dati sperimentali per diminuire l’onere computazionale, e la parallelizzazione del calcolo su più computers per raccogliere una maggiore quantità di dati e risparmiare tempo di calcolo. L’analisi statistica dei
dati così ottenuti consente di controllare l’instabilità tipica degli algoritmi di adattamento
numerici.
Per quanto riguarda le celle a combustibile, è stato sviluppato e messo a punto un modello
circuitale non lineare di una cella a membrana di elettrolita polimerico (PEM) da 1.2 kW disponibile in Dipartimento. Tale modello consente di rappresentare il comportamento a regime e dinamico della cella PEM, a condizione che i valori di alcuni parametri del modello
siano modificati nelle due condizioni di funzionamento; esso può essere impiegato nella
simulazione di sistemi più complessi, tra i quali sistemi di trazione elettrica o di alimentazione di utenze in isola o distribuita. Il modello è
di tipo analitico-empirico e non richiede la conoscenza di parametri di difficile individuazione
quali porosità, diffusività, coefficienti di trasferimento di carica, necessari invece per l’implementazione di modelli matematici complessi. I
parametri del circuito equivalente proposto sono
invece ottenibili mediante semplici prove di laboratorio, poiché l’obiettivo della caratterizzazione
è modellare la cella PEM dal lato del sistema di
condizionamento della potenza. Oltre a prove a
corrente interrotta, sono state effettuate prove
dinamiche tra due diverse condizioni di funzionamento di regime della cella.
83
Argomento: MAGNETI SUPERCONDUTTORI AD ALTI CAMPI
PER GENERATORI MHD
Nominativi di
riferimento: F. Negrini, P. L. Ribani
Dal 1989 a 1995 il Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica è stato la
Sede del Coordinamento Nazionale del
Sottoprogetto Magneti Superconduttori
del Progetto Finalizzato Tecnologie Superconduttive e Criogeniche del CNR.
Nell'ambito di questa attività, a cui hanno
partecipato alcune tra le principali industrie elettromeccaniche italiane e quattro
gruppi universitari, è stato eseguito il progetto esecutivo e la costruzione di un
magnete con geometria a sella rettangolare (lunghezza attiva 2 m, campo massimo sull'asse 5 T, energia immagazzinata 62 MJ) da utilizzarsi in un impianto pilota MHD da 30
MW. Parte dell’attività di ricerca è stata dedicata allo sviluppo
di un codice di calcolo in grado di determinare la geometria
ottimale delle bobine del magnete a sella rettangolare (in blu
nella figura), relativamente alla quantità di superconduttore
impiegata. La scelta della geometria è condizionata dalla
forma richiesta dal campo magnetico sull’asse del condotto e
dalla sezione del volume utile del magnete.
La tecnologia impiegata (cavo superconduttore CICC del tipo Cu/NbTi contenuto in un
condotto in acciaio e raffreddato con elio supercritico) può essere utilizzata senza alcuna
modifica per la costruzione di magneti aventi
le dimensioni richieste dagli impianti di taglia
industriale. Il magnete prototipo, detentore di
numerosi record, è attualmente presso i laboratori di Ansaldo Superconduttori.
84
Argomento: MODELLAZIONE CIRCUITALE DI COMPONENTI AVVOLTI NEL
CAMPO DELLE ALTE FREQUENZE
Nominativi di
riferimento: G. Grandi, U. Reggiani
La ricerca è volta allo sviluppo di modelli circuitali a parametri concentrati per la caratterizzazione in frequenza di componenti avvolti e di avvolgimenti di macchine elettriche.
Calcolo delle capacità parassite di induttori a solenoide. Sono sviluppati metodi per il calcolo analitico delle capacità parassite tra spire di
uno stesso strato, tra spire di strati adiacenti, tra spire ed eventuale
nucleo e/o schermo conduttore dell’induttore. In tali metodi viene
ipotizzato a priori l’andamento delle linee di forza del campo elettrico
nel dielettrico circostante le spire.
Progetto ottimizzato di induttori a solenoide in aria. E’ stata ottenuta una formulazione analitica dell’induttanza complessiva dell’induttore, basata sull’espressione della mutua induttanza tra due spire circolari coassiali. Ciò ha consentito di sviluppare un progetto ottimizzato per avvolgimenti a singolo strato, dove le variabili di ingresso sono la prima frequenza di autorisonanza, l’induttanza e il valore nominale della corrente. La
funzione da minimizzare è la lunghezza dell’avvolgimento (cioè
le perdite ed il peso).
Induttori con nucleo ferromagnetico. Lo studio è basato sulla soluzione delle equazioni di
Maxwell sia in un nucleo di ferrite sia in un nucleo ferromagnetico laminato. Nel caso di un
nucleo di ferrite si introducono nelle equazioni del campo una permittività complessa ed
una permeabilità magnetica complessa funzione della frequenza. Nel caso di nuclei ferromagnetici laminati si tiene
conto di eventuali traferri definendo una permeabilità equivalente del circuito magnetico. La determinazione della distribuzione tempo-variante del campo induzione magnetica nel nucleo consente di ricavare il flusso concatenato con l’avvolgimento, la tensione in esso indotta e quindi la resistenza e la
reattanza equivalente serie dell’induttore.
Avvolgimenti di macchine elettriche in alternata. E' stato sviluppato un modello circuitale
alle alte frequenze per una singola bobina di un avvolgimento a matasse di una macchina
elettrica in corrente alternata. Il modello è costituito da un
circuito a tre terminali, i cui parametri sono identificati mediante la misura delle impedenze fra ciascuna coppia di
terminali, per diversi valori della frequenza. Il modello base
è stato utilizzato per l’estensione al caso di avvolgimento
con più bobine in serie e/o parallelo e ad un avvolgimento
trifase. Sono stati proposti circuiti equivalenti i cui parametri
vengono identificati tramite i valori misurati a diverse frequenze dell’impedenza complessa della singola matassa o
delle impedenze complesse tra fase e fase e tra fase e terra
dell’avvolgimento trifase.
85
Argomento: MODELLI NUMERICI PER CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M. Breschi, M.R. Carraro, A. Cristofolini
L’approccio classico al progetto ed all’analisi del funzionamento di dispositivi elettromagnetici è tradizionalmente basato sulla definizione di un circuito elettrico equivalente che
riproduca le caratteristiche esterne del dispositivo in esame. Negli ultimi decenni, lo sviluppo e la diffusione di computer sempre più potenti e di metodi numerici per la soluzione
di problemi elettromagnetici ha reso disponibile una nuova gamma di strumenti per l’analisi
ed il progetto assistito al calcolatore. Tali strumenti, piuttosto che ricercare un’analogia circuitale, si basano sulla teoria dei campi, e sono in grado di fornire informazioni più accurate sul problema sia in fase di progetto, sia in fase di analisi delle prestazioni.
Sono utilizzati presso il DIE diversi codici di calcolo commerciali come supporto alle attività
di ricerca applicata che vi si svolgono. Sono inoltre stati sviluppati all’interno del DIE numerosi codici di calcolo per l’analisi di problemi elettrostatici, magnetostatici e quasi-stazionari magnetici con materiali lineari e non lineari. Tali codici costituiscono una piattaforma
flessibile utile per lo studio e la validazione di nuove metodologie ed algoritmi nell’ambito
della soluzione numerica di problemi elettromagnetici. I codici sviluppati prevedono una discretizzazione eseguita applicando il metodo agli elementi finiti secondo l’approccio ai residui pesati di Galerkin. Per la soluzione di problemi magnetostatici non lineari è stato
messo a punto un algoritmo solutore di grande efficienza basato su un metodo di Newton
inesatto. Tale algoritmo trova la soluzione del problema non lineare in modo iterativo,
sfruttando in modo ottimale le proprietà di convergenza dei solutori per sistemi algebrici a
matrice sparsa.
I metodi descritti sono stati utilizzati per i problemi più svariati, come l’ottimizzazione di
pompe anulari per metalli liquidi, la progettazione di motori per azionamenti brushless o lo
studio del campo magnetico disperso in trasformatori da cabina.
Fig. 1. Test case per il solutore
Magnetostatico non lineare.
Fig. 2. Studio del campo prodotto dai magneti
permanenti in un motore brushless.
86
Argomento: MODELLI NUMERICI PER MHD E PLASMI
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M. Breschi, M.R. Carraro, A. Cristofolini, G. Neretti
I modelli teorico-numerici sviluppati presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica costituiscono un indispensabile supporto per la progettazione delle attività sperimentali in cui il
Gruppo di Ricerca Magnetofluidodinamica e Plasmi è coinvolto ed un strumento essenziale per la piena comprensione dei fenomeni osservati.
Nell’ambito delle attività di indagine sull’interazione MHD, sono stati sviluppati modelli
mono e bidimensionali tempodipendenti per l’analisi di regimi caratterizzati da numeri di
Reynolds magnetici bassi o intermedi. I modelli fisici sono in generale costituiti da una
parte fluidodinamica e da una elettrodinamica. Le equazioni che descrivono la fluidodinamica sono costituite dall'equazione di continuità di massa, momento ed energia, oltre che
dall'equazione di stato dei gas. Per quanto riguarda l'elettrodinamica, il modello fisico è
ottenuto utilizzando le equazioni di Maxwell e la legge di Ohm generalizzata. Assumendo
la condizione per la quale Rem <<1, tale formulazione porta alla scrittura di un equazione
in cui l’incognita è il potenziale elettrico scalare. Nella formulazione a Rem intermedi,
l’elettrodinamica è invece descritta dall’equazione di convezione-diffusione del campo di
induzione magnetica.
I modelli descritti sono stati utilizzati per diverse applicazioni, come l’analisi del flusso nei
generatori MHD, lo studio della scarica in interruttori ad SF6 e, più recentemente, la progettazione delle attività sperimentali e l’analisi dei risultati nell’ambito dei progetti di ricerca
inerenti l’interazione MHD in flussi ipersonici (Fig. 1). E’ attualmente in corso un progetto
PRIN sullo sviluppo di modelli per lo studio di regimi MHD in flussi ipersonici.
Sono stati inoltre sviluppati dei modelli come strumenti di supporto, utili per l’interpretazione delle misure spettroscopiche in plasmi caratterizzati da una funzione di distribuzione
non maxwelliana. In tali casi, per una corretta interpretazione dei dati, si rende necessario
modello che consenta di valutare gli effetti che la deviazione dalla distribuzione energetica
maxwelliana comporta sulla popolazione dei livelli energetici eccitati e quindi sullo spettro
discreto di emissione. Per calcolare la funzione di distribuzione elettronica viene risolta l’equazione di Boltzmann nell’ipotesi di isotropia, accoppiandola con le “rate equations” dei
processi di eccitazione ionizzazione e diseccitazione nel plasma. Tale strumento è stato utilizzato per interpretare gli spettri di emissione di propulsori elettrici per applicazioni spaziali (Fig. 2).
1.2
1
a)
0.8
Calculated
Exp. Data
0.6
b)
18
20
22
24
26
Energy [eV]
Fig. 1. Isobare in un flusso ipersonico su corpo a
rampa senza (a) e con (b) interazione MHD.
Fig. 2. Boltzmann plot con dati misurati e calcolati.
87
Argomento: OTTIMIZZAZIONE DELLA SOLUZIONE DI PROBLEMI DI SINTESI
MAGNETICA TRAMITE ALGORITMI EVOLUTIVI
Nominativi di
riferimento: C.A. Borghi, M. Fabbri
La simulazione di componenti e dispositivi elettromagnetici ha raggiunto negli ultimi anni
un notevole sviluppo. In particolare i codici per l’analisi bidimensionale, grazie alla loro robustezza e facilità d'uso, stanno oggi iniziando ad essere utilizzati non solo come strumenti di valutazione delle prestazioni di dispositivi elettromagnetici, ma anche come strumenti per l'ottimizzazione del progetto.
Il progetto di dispositivi elettromagnetici richiede la soluzione di un problema inverso (dagli
effetti alle cause) che può presentare infinite soluzioni. La scelta della soluzione da adottare costituisce un problema di sintesi e, nel caso del progetto, può essere fatta per mezzo
dell’ottimizzazione di proprietà o caratteristiche del dispositivo da progettare. Il criterio di
ottimizzazione può riguardare le prestazioni del dispositivo, la qualità delle sue funzioni,
l’economicità della realizzazione o anche una loro combinazione. Tale criterio viene
espresso tramite una funzione obiettivo che dipende dalle variabili di progetto, incognite
del problema. La soluzione è data da quelle incognite che massimizzano la funzione
obiettivo.
Nelle applicazioni, in dipendenza delle particolari esigenze, si sono utilizzati metodi deterministici o stocastici. I metodi deterministici sono per lo più basati sull’annullamento delle
derivate prime. Sono state inoltre utilizzate varie versioni del metodo stocastico GES (General Evolution Strategies) che simula la strategia evolutiva di adattamento della soluzione
di tentativo alla funzione obiettivo. Tale metodo non richiede la valutazione delle derivate
della funzione obiettivo e quindi è applicabile anche a funzioni discontinue o discrete.
Le applicazioni ingegneristiche affrontate riguardano il sistema di bobine poloidali di un
TOKAMAK, dispositivi NMR con schermo attivo o passivo, pompe elettromagnetiche a
metalli liquidi, attuatori a magneti permanenti e amplificatori RF. Nell’esempio del sistema
poloidale di Fig.1, il calcolo ha riguardato la determinazione delle posizioni e dimensioni
delle bobine del sistema e dell’intensità delle correnti in modo da minimizzare l’energia
magnetica. Per l’attuatore a magneti permanenti di Fig. 2 è stata calcolata la disposizione
ottimale dei magneti permanenti in modo da ridurre le oscillazioni della coppia generata.
Fig. 1. Sistema magnetico poloidale
di una macchina Tokamak.
Fig. 2. Attuatore a magneti permanenti.
88
Argomento: TECNOLOGIE AD ALTO RENDIMENTO NEL RISCALDAMENTO AD
INDUZIONE DI BILLETTE DI ALLUMINIO
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, A. Morandi, P. L. Ribani
Il riscaldamento a induzione di billette o nastri metallici destinati alla lavorazione industriale
avviene mediante esposizione ad un campo magnetico variabile, appositamente prodotto
attraverso un avvolgimento operante in corrente alternata. La dissipazione per effetto
Joule, causata delle correnti indotte all’interno del pezzo sotto trattamento, ne produce il
riscaldamento. Tale tecnica è in uso nei processi di manifattura industriale come alternativa al riscaldamento mediante forni a combustibile fossile.
Il rendimento del processo di riscaldamento a induzione risulta molto alto quando applicato
a metalli dotati di permeabilità magnetica elevata; tipico è il caso degli acciai, il cui
trattamento consente rendimenti superiori al 90%. Quando si considerano invece metalli
non ferrosi come rame, alluminio e le loro leghe, caratterizzati da deboli proprietà magnetiche e da una bassa resistività, il rendimento subisce una drastica riduzione; in questo
caso una considerevole quota di energia è dissipata all’interno dello stesso avvolgimento
induttore e ceduta, senza possibilità di recupero, al fluido di raffreddamento. Nei moderni
sistemi di riscaldamento ad induzione per metalli non ferrosi il rendimento non supera il
50%. Il dispendio energetico che si verifica nel processo di riscaldamento risulta particolarmente critico nel caso dell’alluminio, vista la crescente penetrazione di questo materiale
nella produzione industriale. Infatti, grazie alle vantaggiose proprietà fisiche e alla elevata
possibilità di riciclaggio, l’uso dell’alluminio, delle sue leghe e dei suoi compositi diviene
sempre più diffuso anche nei settori automobilistico, meccanico, dei trasporti e delle grandi
strutture civili, oltre che nei tradizionali settori aeronautico, elettrico e dei beni di consumo
domestici.
Una tecnica innovativa ad alto
Campo
rendimento per il riscaldamagnetico
mento a induzione di billette
di alluminio, basata sull’utilizzo di superconduttori operanti
Corrente
in corrente continua, è in fase
Albero
indotta
di sviluppo presso il Laborato- motore
rio di Superconduttività Applicata dell’Università di BoloCriostato
gna. L’idea consiste nel far
ruotare, mediante un motore
Corrente continua
di trascinamento, la billetta da Rotazione
Avvolgimento
riscaldare all’interno del camsuperconduttore
po magnetico stazionario prodotto da un magnete superconduttore e orientato ortogonalmente all’asse della billetta. Le
correnti indotte alla superficie della billetta generano una coppia resistente che si oppone
alla rotazione e riscaldano la billetta stessa per effetto Joule. Si ha così la conversione
dell’energia meccanica fornita dal motore in energia termica; poiché nell’esercizio in corrente continua le perdite all’interno del magnete superconduttore sono nulle, il rendimento
del riscaldatore coincide col rendimento del motore elettrico utilizzato per mantenere in
rotazione la billetta, che per potenze nell’ordine del MW supera il 90 %.
89
Area di Ricerca: 6. Superconduttività applicata
Argomento: ACCUMULO DELL’ENERGIA ELETTRICA MEDIANTE SISTEMI A
SUPERCONDUTTORE (SMES)
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, A. Morandi, F. Negrini, P.L. Ribani
Il principio base di un sistema SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage system)
è quello di accumulare energia sotto forma di energia del campo magnetico generato da
una corrente continua che fluisce attraverso un avvolgimento. Se l’avvolgimento è realizzato con conduttori tradizionali, l’energia magnetica verrà dissipata in calore per effetto
Joule dopo un certo tempo. Se l’avvolgimento è realizzato con materiale superconduttore
(a bassa temperatura, con sistema di refrigerazione), l’energia può essere accumulata in
modo persistente.
I sistemi SMES possono essere utilizzati per migliorare la qualità dell'energia elettrica in presenza di carichi sensibili (superamento di microinterruzioni e riduzione della distorsione delle
forme d'onda della tensione e/o della corrente).
La figura mostra lo schema di principio del dispositivo che fa uso di un sistema di condizionamento della potenza (PCS : Power Conditioning
System), che regola le fasi di carica e scarica dell'avvolgimento superconduttore.
Rete elettrica di potenza
Criostato
Avvolgimento
superconduttore
Sistema di
condizionamento
della potenza e
controllo
Persistent
current
switch
Carico
Presso il Laboratorio di Superconduttività Applicata del DIE vengono studiati i sistemi
SMES sia per quanto riguarda la loro progettazione ottimizzata sia per quanto riguarda
l'analisi delle loro prestazioni una volta inseriti nei sistemi di potenza. La figura sottostante
mostra lo spaccato di un micro-SMES, per il miglioramento della qualità della energia elettrica, in grado di accumulare una energia di 200 kJ, progettato presso il DIE e realizzato
da Ansaldo Superconduttori a Genova (attualmente in fase di test), ed il disegno di uno
SMES a forze bilanciate studiato in collaborazione con il Tokyo Institute of Technology.
90
Argomento: DISTRIBUZIONE DI CORRENTE E PERDITE NEI CAVI
SUPERCONDUTTORI MULTIFILAMENTARI
Nominativi di
riferimento: M. Breschi, M. Fabbri, P.L. Ribani
Nei cavi superconduttori multifilamentari che vengono utilizzati per la realizzazione dei magneti ad alto
campo impiegati nelle ricerche sulla fusione termonucleare controllata (progetto ITER - International
Thermonuclear Experimental Reactor, vedi figure a
lato, in fase di progettazione esecutiva) e nella fisica
delle alte energie (progetto LHC - Large Hadron
Collider, vedi figure sotto, in fase di realizzazione a
Ginevra) un aspetto di notevole importanza è la ripartizione della corrente totale che viene trasportata
dal cavo tra i fili (strand) che lo compongono. Una
distribuzione troppo disuniforme della corrente comporta una degradazione delle proprietà del cavo con
conseguente mancato raggiungimento delle finalità
delle macchine costruite. Nei magneti utilizzati per
creare il campo magnetico necessario per il confinamento del plasma che devono operare in regime
impulsato, può avvenire la transizione rapida del
cavo (quench) prima che venga raggiunto il valore
nominale della corrente, con conseguente interruzione dell'esperimento. Una distribuzione non uniforme della corrente nelle bobine che producono il
campo necessario per curvare la traiettoria del fascio di particelle nell'esperimento LHC produce la
distruzione del fascio stesso.
La ricerca si propone di sviluppare i modelli
per il calcolo della distribuzione di corrente
nei casi di interesse per la fusione termonucleare controllata e la fisica delle alte energie.
Tali modelli non si limitano agli aspetti elettromagnetici, ma a causa della forte dipendenza
dei parametri dei materiali superconduttivi
dalla temperatura, devono essere anche in
grado di descrivere l'evoluzione della temperatura di tutti i solidi presenti nel cavo (strand
e materiale strutturale) e della fluidodinamica
dell'elio utilizzato per la refrigerazione del cavo. La ricerca viene svolta In collaborazione
con numerosi centri di ricerca italiani e stranieri (Università di Udine, Politecnico di Torino, Divisione Superconduttività dell'ENEA a
Frascati, EFDA - Garching, CERN, MIT)
91
Argomento: LIMITATORI DI CORRENTE SUPERCONDUTTIVI
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, A. Morandi, F. Negrini, P. L. Ribani
L’introduzione di un dispositivo di limitazione della corrente di guasto all’interno dei moderni sistemi elettici costituisce un requisito essenziale per la loro gestione affidabile e la
loro espansione. L’esperienza di esercizio dimostra come il corto circuito, i cui effetti su
tutti i componenti e sulla funzionalità dell’intero sistema risultano estremamente dannosi,
sia un evento tutt’altro che infrequente. I provvedimenti tradizionalmente adottati per far
fronte e a questo problema (trasformatori con elevata reattanza interna, reattanze in aria
connesse in serie, sezionamento delle reti) introducono perdite permanenti e limitano
l’esercizio efficace del sistema. Lo sviluppo di dispositivi che siano capaci di limitare la corrente di guasto senza condizionare il sistema durante il normale funzionamento risulta
quindi di notevole interesse.
Tra i possibili dispositivi di limitazione, quelli che utiAvvolgimento
Tubo Superconduttore
lizzano materiali superconduttori (SC) presentano caratteristiche ideali: impedenza nulla in condizioni di
normale funzionamento e transizione passiva, e
dunque affidabile, verso uno stato ad alta impedenza
in condizioni di guasto. Esistono varie tipologie di limitatori di corrente superconduttivi. La maggior parte
di essi sfruttano direttamente la transizione del superconduttore verso uno stato normale ad alta resistività in corrispondenza del raggiungimento di un
Nucleo ferromagnetico
valore critico di corrente; tali limitatori sono classificabili come resistivi, induttivi o ibridi a seconda del tipo di impedenza introdotta nel circuito. La figura mostra lo schema di principio di un limitatore induttivo. Nelle tipologie in cui
la transizione dell’elemento SC non avviene, la variazione di impedenza, necessaria per
ottenere l’effetto limitante, si ottiene sfruttando la non linearità dei materiali magnetici (limitatori a nucleo magnetico saturato) o dei componenti elettronici di potenza (limitatori con
ponte a diodi). In tali limitatori la presenza del materiale SC ottimizza il dispositivo in termini di perdite e prestazioni ma non è concettualmente indispensabile.
I modelli sviluppati Presso il
Laboratorio di Superconduttività Applicata permettono di
studiare i benefici tecnici ed
economici apportati dai limitatori di varia tipologia nelle
reti elettriche in media e alta
tensione. La figura mostra, a
titolo di esempio, l’effetto di
un limitatore inserito sul bus
di interconnessione tra due linee MT sulla corrente di guasto in una delle due linee.
30
resistivo
induttivo
ponte a
diodi
senza limitatore
[kA]
25
20
15
10
5
0
-5
senza interconnessione
[ms]
-10
0
20
92
40
60
80
100
120
Argomento: MAGNETI QUASI-PERMANENTI E TECNICHE DI
MAGNETIZZAZIONE
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, A. Morandi, F. Negrini, P. L. Ribani
I recenti progressi nelle tecnologia di
fabbricazione hanno consentito lo sviluppo di superconduttori massicci monocristallini di grandi dimensioni dotati di
elevata corrente critica, in grado dunque
di intrappolare, in modo quasi permanete, un campo magnetico di molto superiore a quello dei magneti permanenti
convenzionali. La loro applicazione nel
settore delle macchine elettriche è in grado di apportare grandi vantaggi. Tuttavia,
affinché questi materiali possano trovare
un largo utilizzo, è necessario mettere a
punto un opportuno processo di magnetizzazione. Attualmente sono in uso tre
tecniche per la magnetizzazione dei superconduttori massicci: il raffreddamento
sotto campo, la magnetizzazione lenta e
la magnetizzazione impulsata. Questa ultima tecnica risulta favorevole perché
può essere ottenuta mediante piccoli avvolgimenti in rame, alimentati dalla scarica di un banco di condensatori, e può essere applicata quando il corpo da magnetizzare è già nella sua sede, facilitando così le operazioni di assemblaggio del dispositivo finale. Tuttavia, a causa degli effetti termici, il
campo intrappolabile mediante magnetizzazione impulsata è minore di quello ottenibile
tramite le altre tecniche (a parità di campo applicato).
24
19
14
9
-1
Y [mm]
4
-6
-11
-16
-21
-26
-26 -21 -16 -11 -6 -1 4
X [mm]
9
14 19 24
Il profilo e il valore massimo del campo intrappolato nonché la sua stabilità nel tempo, sono fattori
cruciali del magnete permanente superconduttivo
perché possono condizionare le prestazioni del dispositivo a cui è destinato. Tali fattori dipendono
molto dalla tecnica di magnetizzazione e dalla forma e la durata dell’impulso di campo applicato.
Presso il Laboratorio di Superconduttività Applicata si sviluppano modelli per lo studio e l’ottimiz-zazione del processo di magnetizzazione ottimale.
Questa attività è stata intrapresa nell’ambito di
una collaborazione con l’Ohsaki Laboratory della
Tokyo University. A sinistra è riportata la distribuzione tipica del campo intrappolato in un campione anulare di YBCO; lo schema dell’apparato sperimentale è mostrato nella figura in alto.
93
Argomento: STUDIO DELLA STABILITA’ DEI NASTRI SUPERCONDUTTORI AD
ALTA TEMPERATURA CRITICA
Nominativi di
riferimento: M. Breschi, P.L. Ribani
ris c a ld a to re
L'utilizzo dei materiali superconduttori nelle applicazioni
di potenza in corrente alternata (trasformatori, motori,
cavi) è ostacolato, oltre che dal costo dei conduttori, dalla
necessità di refrigerarli per rimuovere, alla temperatura di
lavoro (30-70 K), la potenza che viene dissipata nel
materiale in presenza di un campo magnetico variabile.
Basti pensare che la rimozione di un solo Watt dissipato
alla temperatura di 30 K richiede l'impiego di una potenza
elettrica di circa 100 W.
Negli ultimi anni sono stati sviluppati
nuovi tipi di nastri (detti "di seconda
generazione") che utilizzano un
sottile strato di YBCO (composto ceramico a base di Yttrium), in grado
di ridurre drasticamente le perdite in
corrente alternata. Uno dei problemi
tecnologici di questi nastri è la
stabilità termica, ovvero la possibilità
di mantenere lo stato superconduttivo anche in presenza di rilasci di energia dovuti a disturbi o malfunzionamenti sempre presenti nei dispositivi reali.
Cu0
Cu1
Cu2
Cu3
10.5 mm
9.4 mm
10.3 mm
Ni1
Ni0
La ricerca si propone di modellare la
transizione dallo stato superconduttivo
allo stato normale che si verifica in corrispondenza di questi rilasci di energia. La
ricerca svolta in collaborazione con il National High Magnetic Field Laboratory
della Florida State University, modella le
misure di tensione e temperatura rilevate
su un nastro SC sul quale viene depositata energia mediante un apposito riscaldatore.
94
Ni2
Ni3
Cu4
10.8 mm
Ni4
YBCO
Argomento: UTILIZZO INTEGRATO DELLA TECNOLOGIA DELL’IDROGENO
LIQUIDO E DEI SUPERCONDUTTORI PER L’USO EFFICIENTE
DELL’ENERGIA ELETTRICA PRODOTTA DA FONTI RINNOVABILI
Nominativi di
riferimento: M. Fabbri, N. Negrini, P.L. Ribani, L. Trevisani
Lo sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili su larga scala può avere un ruolo molto
importante nella riduzione delle emissioni di CO2. Lo sviluppo della tecnologia eolica ha
già raggiunto un livello significativo, mentre la tecnologia fotovoltaica, il cui utilizzo è attualmente limitato dell’elevato costo dell’energia prodotta, può rappresentare nel prossimo
futuro una risorsa di primaria importanza. Esistono tuttavia due aspetti tecnologici che
possono limitare il grado di penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili nel sistema
energetico. In primo luogo, la variabilità intrinseca della potenza prodotta può determinare
difficoltà nel mantenimento della stabilità della rete elettrica e un peggioramento della qualità dell’energia. Per evitare ciò, è necessario prevedere l’accumulo di una quantità di
energia sufficiente a garantire la regolarità della potenza fornita. In secondo luogo, per
poter realizzare grandi impianti da fonte rinnovabile è richiesta la disponibilità di grandi
estensioni, generalmente disponibili in zone remote. La tecnologia dei cavi superconduttivi
può consentire il trasporto efficiente di elevata potenza elettrica dai luoghi di produzione
verso quelli di utilizzo.
L’idrogeno, ottenibile per elettrolisi dall’acqua, rappresenta un mezzo di accumulo intrinsecamente “pulito”, ed è ritenuto un possibile sostituto futuro dei combustibili fossili convenzionali. La liquefazione (alla temperatura di 20 K) consente lo stoccaggio e il trasporto di
grandi quantità di idrogeno, ma rappresenta un processo dispendioso. D’altra parte,
l’utilizzo combinato delle tecnologie dell’idrogeno liquido e del superconduttore MgB2 (operante a 20 K) determinano una condivisione delle spese necessarie per la liquefazione
dell’idrogeno e per il raffreddamento del superconduttore.
In figura è rappresentato uno schema dell’impianto proposto. L’accumulo energetico per la
stabilizzazione della potenza fornita in rete avviene mediante produzione e stoccaggio di
idrogeno, che viene in parte riconvertito in energia elettrica nei periodi di scarsità di potenza. La linea MgB2/LH2 consente il trasporto combinato di energia elettrica e idrogeno liquido, il quale assolve la duplice funzione di vettore energetico e di fluido refrigerante della
linea superconduttiva. Il sistema rappresenta una soluzione integrata ai problemi di variabilità della potenza e di trasporto efficiente dell’energia da fonte rinnovabile.
Stoccaggio
Liquefattore
Generatore
di idrogeno
(elettrolisi)
Fuel Cell
Linea MgB2
SMES
Chopper
Inverter
( Refrigerazione LH2 )
95
6.2 ING-IND/32 ♦ CONVERTITORI, MACCHINE ED AZIONAMENTI ELETTRICI
Il settore comprende gli studi che riguardano macchine elettriche, sensori ed attuatori
elettrici, componenti elettronici di potenza e convertitori, materiali elettrici ed elettronici,
azionamenti elettrici, tecnologie elettriche ed elettroniche, costruzioni elettromeccaniche
ed applicazioni industriali elettriche, e che traducono problemi di base ed applicativi delle
conversioni dell'energia, allo scopo di renderla disponibile nella forma, nella misura e nella
qualità necessarie per le diverse applicazioni nell'industria, nei trasporti ferroviari, funiviari
e stradali, negli edifici civili e nei servizi, partendo da fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. Gli studi coinvolgono, per tali temi, oltre le tradizionali metodologie elettriche, anche
quelle dell'elettronica industriale di potenza, dei dispositivi di controllo, dei sistemi e processi di automazione e della meccatronica, finalizzate allo studio in regime statico e dinamico dei loro modelli comportamentali. Gli studi si estendono sia alle problematiche di
compatibilità anche elettromagnetica, fra le strutture di conversione e fra queste e l'ambiente, sia all'integrazione di componenti nei sistemi, sia alla gestione dei processi di conversione nei sistemi energetici per l'industria, i trasporti e il terziario, sia alla qualità e sicurezza dei sistemi di conversione elettrica, sia alla energetica elettrica.
Professori Ordinari
Domenico Casadei
Fiorenzo Filippetti
Giovanni Serra
Angelo Tani
Ricercatori
Claudio Rossi
Luca Zarri
Dottorandi
Alberto Lega
Filippo Milanesi
Amine Yazidi (*)
Denny Bonatti
Giulio Fantini
Andrea Stefani
Collaboratori
Marcello Artioli
Matteo Marano
Alessio Pilati
Stefano Serri
(*) Dottorando straniero in co-tutela
1. Azionamenti elettrici....................................................................................................98
- Azionamenti con motori operanti in ampi intervalli di velocità..........................................98
- Azionamenti Direct Torque Control (DTC) .......................................................................99
- Azionamenti vettoriali Stator Flux Vector Control (SFVC).............................................. 100
2. Conversione statica dell’energia elettrica ............................................................... 101
- Convertitori a matrice..................................................................................................... 101
- Convertitori per trazione elettrica................................................................................... 102
- Tecniche di modulazione per convertitori statici convenzionali...................................... 103
- Tecniche di modulazione per convertitori statici innovativi ............................................ 104
3. Diagnostica delle macchine elettriche ..................................................................... 105
- Diagnostica di generatori asincroni a rotore avvolto operanti in sistemi eolici ............... 105
- Diagnostica di motori elettrici......................................................................................... 106
- Tecniche avanzate di IA nella diagnostica delle macchine elettriche ............................ 107
96
4. Macchine ed attuatori elettrici .................................................................................. 108
- Motori lineari asincroni................................................................................................... 108
- Motori rotanti brushless ................................................................................................. 109
- Sistemi a levitazione magnetica .................................................................................... 110
5. Motori direct-drive ..................................................................................................... 111
- Motori brushless ad avvolgimenti concentrati ................................................................ 111
- Motori lineari DC brushless............................................................................................ 112
- Motori lineari tubolari brushless e passo-passo............................................................. 113
6. Sistemi di condizionamento della potenza.............................................................. 114
- Filtri attivi ....................................................................................................................... 114
- Gestione dei sistemi di produzione ................................................................................115
- Sistemi ad idrogeno ....................................................................................................... 116
- Sistemi di accumulo dell’energia ................................................................................... 117
7. Sistemi di interfaccia per fonti rinnovabili............................................................... 118
- Sistemi eolici.................................................................................................................. 118
- Sistemi fotovoltaici .........................................................................................................119
- Sistemi idroelettrici ........................................................................................................120
8. Trazione elettrica ....................................................................................................... 121
- Azionamenti per trazione elettrica ................................................................................. 121
- Calesse elettrico e Vivi .................................................................................................. 122
- Motori per trazione elettrica ........................................................................................... 123
Diagnostica di Macchine Elettriche (LabDME) ............................................................ 178
Il Laboratorio di Diagnostica sviluppa tematiche inerenti la diagnosi, possibilmente preventiva, dei guasti per macchine elettriche. Essa, un tempo in uso solo per macchine di elevata potenza, è attualmente richiesta anche per applicazioni di potenza dell'ordine di alcuni kW. Si richiede, infatti che le usuali protezioni possano essere sostituite da dispositivi
più sofisticati, in grado di realizzare una protezione ed una diagnosi globale, per avere migliori prestazioni e continuità di servizio.
Macchine ed azionamenti elettrici (LEMAD)................................................................188
Il Laboratorio di Azionamenti e di Macchine Elettriche del Dipartimento di Ingegneria Elettrica da più di vent’anni sviluppa tematiche di ricerca inerenti motori elettrici, azionamenti
elettrici ed elettronica di potenza. Il laboratorio fornisce inoltre prove e servizi per soggetti
esterni. Il laboratorio, dislocato al piano terra della Facoltà di Ingegneria e con un’estensione di 250 m2, è attualmente destinato allo sviluppo di attività di ricerca inerenti i seguenti
settori: progettazione integrata di macchine elettriche e dispositivi elettromagnetici, tecniche di controllo per azionamenti elettrici, sistemi PCS di condizionamento della potenza,
convertitori statici innovativi, applicazioni di sistemi a celle a combustibile.
97
Area di Ricerca: 1. Azionamenti elettrici
Argomento: AZIONAMENTI CON MOTORI OPERANTI IN AMPI INTERVALLI DI
VELOCITÀ
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, G. Serra, A. Tani, L. Zarri
La capacità di un azionamento di operare ad alta velocità, anche se con valori di coppia ridotti, desta notevole interesse in ambito industriale e per applicazioni di trazione elettrica.
Di conseguenza è stata condotta una rilevante attività di ricerca sugli algoritmi di indebolimento di campo, con particolare riferimento a quelli per motore asincrono.
Un primo algoritmo di indebolimento di campo
è stato studiato per gli azionamenti vettoriali
controllati con tecnica Stator Flux Vector Control (SFVC). Tale algoritmo sceglie, sulla base
dei parametri di macchina e delle condizioni di
funzionamento, il valore del flusso di rotore
che consente di rendere massima la coppia
prodotta, sfruttando al meglio i limiti di tensione e corrente propri dell’azionamento.
E' comunemente noto che gli algoritmi di in- Fig. 1. Banco prova per motore asincrono 4,5 kW.
debolimento di campo applicati ad azionamenti ad alte prestazioni dinamiche richiedono la
conoscenza di numerosi parametri di macchina (resistenze di statore o di rotore,
induttanze di dispersione, ecc.). Al fine di limitare questa dipendenza, sono stati proposti
alcuni innovativi algoritmi robusti di indebolimento di campo per azionamenti sensorless.
Inizialmente sono stati presi in considerazione gli azionamenti per motore asincrono di
tipo Direct Torque Control (DTC). La tecnica DTC permette una regolazione indipendente
della coppia e del flusso di macchina. La strategia di controllo consiste nel selezionare, in
ogni ciclo elementare, la configurazione dell’inverter più idonea a mantenere coppia e
flusso entro due bande d’isteresi.
Quando la tensione disponibile non è sufficiente a vincere la forza contro-elettromotrice
del motore, l'algoritmo di controllo non è più in grado di mantenere la coppia entro la corrispondente banda di isteresi. Questa informazione, opportunamente analizzata, può essere
impiegata per ridurre il riferimento di flusso, determinando così l'indebolimento di campo
richiesto per il funzionamento del motore ad alta velocità senza la necessità di conoscerne
i parametri caratteristici, ad eccezione della
coppia massima.
(3)
Successivamente, un algoritmo robusto di
(2)
indebolimento di campo è stato sviluppato
(4)
per azionamenti basati su controllo SFVC.
In questo caso, il flusso di rotore viene adattato sulla base della differenza tra la
(1)
tensione richiesta e la tensione disponibile
per il controllo del motore.
In generale, gli algoritmi robusti di indebolimento di campo sviluppati mostrano una ridotta dipendenza dai parametri di macchina e consentono una transizione dolce dal- Fig. 2. Transitorio di accelerazione da 0 al 600% della
la regione di velocità con coppia costante a velocità base. 1) Corrente di fase (20 A/div). 2) Riferiquella a potenza costante (Fig.2).
mento di flusso (0.30 Wb/div). 3) Comando di coppia
(10 Nm/div). 4) Riferimento di coppia (10 Nm/div).
98
Argomento: AZIONAMENTI DIRECT TORQUE CONTROL (DTC)
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, G. Serra, A. Tani
La tecnica di controllo denominata DTC rappresenta una valida alternativa al controllo ad
orientamento di campo (FOC) negli azionamenti ad alta dinamica per macchine asincrone.
Essa è caratterizzata dall’assenza di regolatori PI, di trasformazioni di coordinate e di modulatori PWM, è molto semplice ed è basata sul principio del controllo ad isteresi della
coppia elettromagnetica e del flusso di statore (Fig. 1). In ogni ciclo di controllo una switching table determina la configurazione
cϕ
dell’inverter VSI trifase più adatta per
ϕ
+
Gate signals
mantenere la coppia e il flusso di statore
Switching
c
dentro la corrispondente banda.
T
table
+
Le prestazioni della tecnica DTC sono state approfonditamente analizzate dal punto
Flux sector
di vista teorico, mediante simulazione numerica e attraverso prove sperimentali su
T
un azionamento DTC realizzato in laboraFlux and torque Motor signals
IM
estimator
torio.
ϕ
Un primo aspetto studiato è stato l’effetto
ϕ
Fig. 1. Schema
a blocchi della tecnica DTC.
delle ampiezze della bande d’isteresi sul
comportamento del sistema. E’ stato evidenziato come esse influenzino pesantemente sia
la frequenza media di commutazione dell’inverter, che l’ondulazione delle principali grandezze elettriche di macchina e come, pertanto, debbano essere scelte con attenzione.
Di particolare rilevanza è il criterio di scelta delle configurazioni che è implementato nella
switching table, in quanto va ad influenzare l’ondulazione della corrente e della coppia. Per
ottimizzare tale criterio è stata eseguita un’analisi teorica delle variazioni di coppia e flusso
dovute all’applicazione, per un ciclo, di una generica tensione di statore. I risultati hanno
evidenziato la necessità di inserire il valore assunto dalla velocità di rotazione della macchina tra le grandezze da considerare nella definizione della switching table.
L’ondulazione di coppia e di corrente costituisce il principale difetto della tecnica DTC ed è
dovuto al limitato numero di vettori tensione d’uscita disponibili nell’inverter VSI trifase.
Proprio per cercare di superare questo problema è stata proposta una nuova tecnica DTC
che utilizza una nuova legge di modulazione del333
332
223
222
l’inverter, chiamata DSVM (Discrete Space Vector
Modulation). La strategia DSVM applica tre diverse
23Z
33Z
22Z
configurazioni nello stesso ciclo, per tempi prefissati,
sintetizzando un elevato numero di nuovi vettori di u3ZZ
2ZZ
+
scita dell’inverter (Fig. 2). I risultati ottenuti sperimenSector 1
talmente hanno evidenziato il previsto miglioramento
ZZZ
d-axis
delle prestazioni.
Sector 1 Le prestazioni della tecnica DTC sono state confron5ZZ
6ZZ
tate con quelle della tecnica ad orientamento di cam56Z
po. La comparazione è stata effettuata a pari frequen55Z
66Z
za media di commutazione dell’inverter ed a pari DSP.
I risultati hanno evidenziato una superiorità del FOC
555
556
665
666
per quanto riguarda la forma d’onda delle grandezze
Fig. 2. Vettori d’uscita dell’inverter
controllate, riconoscendo alla tecnica DTC il primato in
disponibili quando il flusso
termini di dinamica della risposta.
*
S
*
T
S
S
è nel settore 1 (DSVM).
99
Argomento: AZIONAMENTI VETTORIALI STATOR FLUX VECTOR CONTROL
(SFVC)
Nominativi di
Gli azionamenti Stator Flux Vector Control (SFVC) appartengono alla categoria degli azionamenti vettoriali ad elevata dinamica di coppia per motori asincroni. Le variabili di controllo, diversamente dagli azionamenti convenzionali ad orientamento di campo, non sono
le correnti del motore, bensì le componenti del flusso di statore (Fig.1).
Questa differenza comporta in particolare che i regolatori PI di corrente siano sostituiti da
un regolatore di flusso di tipo dead-beat, la cui taratura è pressoché immediata.
L’algoritmo SFVC consente un’elevata dinamica di coppia, in quanto analogamente a
quanto si verifica per i tradizionali azionamenti ad orientamento di campo, la coppia è
controllata indipendentemente dal flusso di rotore.
Fig. 1. Schema di un azionamento SFVC.
L’algoritmo SFVC è stato sviluppato su DSP TMS320C24X, TMS320C2407 e TMS320F28
sia per applicazioni di trazione elettrica, sia per azionamenti sensorless per motori asincroni.
In quest’ultimo caso, al fine di ridurre la
sensibilità dell’intero sistema di controllo
agli errori di stima dei parametri e di
misura delle correnti di macchina, si è utilizzato un osservatore di flusso in retroazione. Tale osservatore, che utilizza oltre alle tensioni e alle correnti di macchina anche il riferimento dell’ampiezza del
flusso rotorico, ha notevolmente migliorato la stabilità e le prestazioni dell’azionamento, soprattutto a basse velocità. I test
effettuati hanno confermato le buone prestazioni del controllo, sia in condizioni di
regime che in condizioni transitorie, per Fig. 2. Transitorio d’inversione della velocità corrisponvelocità superiori al 5% della velocità no- dente ad un’inversione di coppia da +18 Nm a -18 Nm.
(a) Velocità stimata (376 rad/s/div). (b) Coppia stimata
minale.
(18 Nm/div). c) Corrente di linea (20 A/div).
100
Area di Ricerca: 2. Conversione statica dell’energia elettrica
Argomento: CONVERTITORI A MATRICE
Nominativi di
I
I
R L
La crescente attenzione al problema della E R L I
power quality e la necessità di convertitori di
dimensioni ridotte hanno indirizzato la riPower Circuits
cerca verso soluzioni che non richiedano inL
C
gombranti componenti reattivi e che possano contenere la distorsione della corrente
Commutation
control
di linea. Una delle soluzioni più promettenti
è costituita dal convertitore diretto del tipo a
Control System
matrice. Tale tipo di convertitore offre la
possibilità di flusso bidirezionale di energia,
Fig. 1. Schema di un convertitore a matrice.
forme d’onda praticamente sinusoidali in ingresso ed in uscita e consente appunto il contemporaneo controllo della tensione al carico
e del fattore di potenza in ingresso al convertitore (Fig. 1).
La ricerca inerente il convertitore a matrice si è sviluppata su tre tematiche.
s
s
line
o
i
L
L
f
f
Input
voltages
Output
currents
a) Tecniche di modulazione
Tradizionalmente lo studio del convertitore a matrice viene condotto mediante il metodo
indiretto che consiste nel rappresentare il convertitore come virtualmente costituito da un
inverter in serie a un raddrizzatore. In contrapposizione all'approccio indiretto, che non
rappresenta il reale funzionamento del convertitore e non permette di sfruttarne a pieno le
possibilità, è stata proposta una nuova metodologia di studio basata sulla rappresentazione dello stato degli interruttori statici mediante numeri complessi. Attraverso di essa
viene risolto analiticamente il problema della modulazione del convertitore a matrice e determinata la sua equazione ingresso-uscita in forma esplicita. Viene altresì mostrato che
tutte le tecniche di modulazione note possono essere ricondotte a casi particolari della
soluzione generale trovata.
b) Analisi della stabilità di sistemi comprendenti convertitori a matrice
Il controllo dei convertitori a matrice è usualmente in retroazione, per compensare l'effetto
sulla tensione al carico dei disturbi presenti sulla tensione in ingresso al convertitore. Tuttavia, tale modalità di controllo può determinare, per potenze sufficientemente elevate, pericolose oscillazioni della tensione e della corrente di linea. Tale fenomeno è stato ampiamente studiato, mediante modelli nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza.
Successivamente, la ricerca è proseguita cercando
possibili soluzioni al problema, sia mediante una
progettazione accurata del filtro LC in ingresso al
convertitore, sia mediante l’impiego di filtri digitali di
stabilizzazione.
c) Realizzazione di prototipi di convertitori a matrice
All’interno del laboratorio sono stati realizzati alcuni
prototipi di convertitori a matrice, frutto anche della
collaborazione con importanti aziende italiane operanti nel settore dell’elettronica di potenza (Fig.2).
101
Fig. 2. Modulo di potenza integrato da 35A,
1200 V per convertitore a matrice.
Argomento: CONVERTITORI PER TRAZIONE ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: C. Rossi
Il settore della trazione elettrica è caratterizzato da condizioni di impiego degli azionamenti
elettrici diverse dalle applicazioni industriali. Generalmente i sistemi di trazione elettrica, a
causa dell’alimentazione con batterie, operano su livelli di tensione molto bassi (<100V) e
conseguentemente con correnti elevate. Lo
sviluppo di azionamenti a basso costo per
questa applicazione richiede una progettazione ad hoc degli stadi di potenza, dei driver e dei trasduttori di corrente. Presso il
DIE si è in grado di sviluppare questi stadi
per taglie diverse e di corredare la parte
elettronica di potenza con un sistema di
controllo in grado di ospitare gli algoritmi di
controllo per azionamenti elettrici più innoFig. 1. Particolare inverter 80V, 600 Arms
vativi ed adatti alla trazione, quali:
per azionamento WRSM.
− azionamenti con motori sincroni a rotore avvolto (WRSM),
− azionamenti per motori brushless, a magneti superficiali (PMSM), a riluttanza (RSM)
o ibridi (PMRSM),
− azionamenti sensorless per macchine asincrone (DTC, SFVC)
Il sistema di controllo sviluppato per questa applicazione è basato sul DSP TMS320F2812
operante a 150MHz. A questo sistema è possibile connettere encoders, e periferiche
esterne mediante interfaccia seriale o CAN BUS.
Si è sviluppato un inverter multilivello di
tipo "dual two-level" per l’alimentazione
1L
di una macchina trifase da due sorgenti
1H
2L
2H
3H
3L
elettricamente separate.
Questa soluzione consente di applicare
al motore una tensione doppia a quella
Fig. 2. Schema del convertitore multilivello
corrispondente ad un solo banco di acper trazione elettrica.
cumulatori utilizzando componenti elettronici dimensionati per la tensione di un unico banco. Altri particolari su questa soluzione
sono forniti nella scheda ‘inverter multilivello’ della sezione ING-IND/31.
Si sviluppano convertitori di tipo dc/dc bidirezionali in corrente per la gestione di flussi di
potenza su batterie innovative e supercondensatori. Questi convertitori sono caratterizzati
dall’impiego di tecnologie a basso costo comuni a quelle utilizzate sugli inverter. Questi
convertitori sono sviluppati per essere applicati su veicoli ibridi.
Si sviluppano convertitori per il controllo di gruppi di generazione costituiti da motore a
combustione e generatore elettrico brushless per l’impiego su veicoli ibridi.
102
Argomento: TECNICHE DI MODULAZIONE PER CONVERTITORI STATICI
CONVENZIONALI
Nominativi di
Il Gruppo di Ricerca ha guadagnato notevole esperienza in tecniche ottimizzate di modulazione per inverter trifase, ottenendo riconoscimento a livello internazionale.
La tecnica di controllo per inverter trifase detta Space Vector Modulation (SVM) è stata oggetto di ampi studi.
In particolare, facendo riferimento al valor massimo del ripple di corrente, sono state confrontate al variare dell’indice di modulazione due note tecniche: la tecnica a due fasi e la
tecnica simmetrica (Fig. 1). A pari intervallo di ciclo, la modulazione a due fasi determina
un valor massimo del ripple di corrente maggiore rispetto alla tecnica simmetrica; ragionando invece a pari frequenza di commutazione, la tecnica a due fasi è migliore della
simmetrica per grandi valori dell’indice di modulazione (Fig. 2).
a)
b)
Fig. 1. Forma d’onda della corrente con la tecnica di modulazione a due fasi (a), simmetrica (b).
Sempre nell’ambito della tecnica SVM sono state analizzate le infinite possibili varianti
della sequenza di commutazione, ottenute al variare della ripartizione dei tempi di applicazione tra le due configurazioni corrispondenti al vettore nullo. Scegliendo come indicatore
di prestazione il valore efficace del ripple della corrente in uscita dall’inverter in un ciclo, si
è definita analiticamente la legge di modulazione ottima, che consente a parità di qualità
della corrente del carico, una riduzione del
20% del numero di commutazioni.
I risultati sulle tecniche di modulazione rinvenuti per via teorica, sono stati verificati
sperimentalmente con esito positivo su piattaforme di controllo basate su DSP TMS320F2407, TMS320F2812 e TMS320F24xx.
Inoltre essi sono stati immediatamente trasferiti al campo degli azionamenti. Questi
traggono infatti un immediato beneficio dal
miglioramento della qualità della corrente,
sia in termini di riduzione dell’ondulazione di
Fig. 2. Confronto in p.u, a pari periodo di commutacoppia, sia di rendimento complessivo.
zione, tra il ripple di corrente della la tecnica di modulazione simmetrica (a) e di quella a due fasi (b).
103
Argomento: TECNICHE DI MODULAZIONE PER CONVERTITORI STATICI
INNOVATIVI
Nominativi di
1
2
3
Inverter multilivello. Gli inverter mulH
L
H
L
H
L
tilivello a tensione impressa rappresentano una struttura di conver- Vc
Vc
Vc
sione statica emergente per applicazioni di elevata potenza. Possono
operare con elevate tensioni conFig. 1. Struttura di un inverter a tre livelli di tipo cascaded.
tinue in ingresso utilizzando componenti elettronici di potenza collegati in serie. Una attraente proprietà è la capacità di generare tensioni d’uscita e correnti d’ingresso con bassissima distorsione, pur con bassa
frequenza di commutazione e mantenendo limitata la derivata di tensione sul carico.
Tra le diverse strutture multilivello proposte, quella denominata “cascaded” presenta alcune caratteristiche peculiari, in quanto richiede alimentazioni in continua separate, ma
necessita del minor numero di componenti elettronici (Fig. 1).
Il problema della determinazione delle legge di modulazione per un inverter multilivello di
tipo cascaded è stato risolto in modo completo e generale utilizzando l’approccio matematico basato sull’impiego dei duty-cycle complessi (Duty-Cycle Space Vectors, DCSV).
Tale metodologia, che rappresenta i duty-cycle dei singoli rami mediante vettori di spazio,
fornisce un’immediata interpretazione geometrica dei principi della modulazione, evidenziando tutti i gradi di libertà disponibili. La soluzione generale ottenibile consente di definire
un modulatore multilivello di tipo PWM molto flessibile, adatto per una implementazione di
tipo digitale.
Inverter polifase. Un’altra struttura di conversione emergente che è stata analizzata è
l’inverter a tensione impressa polifase (Fig. 2). L’azionamento a velocità variabile di tipo
tradizionale è composto da un inverter trifase che alimenta una macchina trifase, ma lo
sviluppo dei dispositivi elettronici di potenza ha reso possibile considerare il numero di fasi
dell’azionamento come una variabile di progetto. I motori polifase hanno molti vantaggi rispetto ai tradizionali motori trifase tra i quali ridotte pulsazioni di coppia, ridotte correnti per
fase e una maggior tolleranza dei guasti. Inoltre, se si utilizza un controllo ad orientamento
di campo di tipo generalizzato, le componenti armoniche spaziali del campo magnetico al
traferro possono essere impiegate per incrementare la densità di coppia del motore.
Per sfruttare completamente tutte queste proprietà delle macchine polifase è necessario
determinare delle opportune strategie di modulazione per l’inverter polifase. Tale problema
è stato affrontato e risolto coniugando l’approccio DCSV con la rappresentazione mediante vettori di spazio multipli dei sistemi polifase. La soluzione generale ricavata ha evidenziato l’esistenza di un grado di libertà che
può essere utilizzato per variare la distorsione
delle grandezze in ingresso ed uscita, modificanVc
do inoltre la frequenza media di commutazione
dell’inverter. Successivamente si sono studiati i
limiti di tensione d’uscita del convertitore in conM
k
0
1
dizioni generali.
Fig. 2. Struttura di un inverter ad M fasi.
104
Area di Ricerca: 3. Diagnostica delle macchine elettriche
Argomento: DIAGNOSTICA DI GENERATORI ASINCRONI A ROTORE AVVOLTO
OPERANTI IN SISTEMI EOLICI
Nominativi di
riferimento: F. Filippetti, D. Casadei, C. Rossi, A. Stefani, A. Yazidi
Una tipologia molto diffusa di stazione eolica utilizza come generatore elettrico una macchina asincrona a rotore avvolto a doppia alimentazione. E’ così possibile la regolazione
disaccoppiata della potenza attiva e reattiva immessa in rete tramite un controllo vettoriale
basato sul flusso statorico; la strategia di controllo si realizza controllando le correnti rotoriche con un convertitore back-to-back connesso fra il rotore
e la rete. Si ha anche il vantaggio che il convertitore richiede
una potenzialità limitata. La fig. 1 mostra una batteria di stazioni eoliche. Il rotore è avvolto e quindi accessibile, ed opera
in un anello di controllo per cui lo spettro delle possibilità diagnostiche è molto ampio: sono disponibili i segnali elettrici
dello statore, del rotore e del controllo. Anche qui si può operare seguendo le tecniche della Signature Analysis (SA) tuttavia i segali da utilizzare devono essere scelti tenendo conFig. 1. Generatori eolici.
tro del controllo. Ad esempio, l’anello di controllo delle correnti di rotore, anche in presenza di una dissimmetria causata da un guasto, imporrà correnti sinusoidali. Necessariamente il guasto si rifletterà sulle tensioni e dunque, nelle tensioni modulanti di rotore, compariranno compo0
nenti armoniche dovute al guasto. La ricerca si
-10
propone proprio di utilizzare le modulanti di rotore
-20
come indicatori diagnostici. Ad esempio una dis-30
simmetria statorica si riflette sulle correnti rotori-40
che con una componente spettrale di frequenza
-50
(2-s)f (essendo s lo scorrimento, f la frequenza).
-60
Tale componente è ben visibile sullo spettro delle
-70
modulanti di rotore (fig. 2), è trascurabile sullo
-80
spettro delle correnti rotoriche. Un altro obiettivo
-90
della ricerca è quello di applicare alle stazioni di -100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
generazione eolica le tecniche della Distance Mofrequency (Hz)
nitoring (DM) in questo caso di vitale importanza
Fig. 2. Spettro delle modulanti di rotore
essendo questi apparati generalmente non accesin caso di dissimmetria statorica.
sibili.
La possibilità attualmente allo studio è rappresentata
in fig. 3. Un adeguato box conterrà il sistema di sensori e trasduttori per l’acquisizione degli indicatori
diagnostici e la loro trasmissione ad una unità di raccolta e preprocessamento via fibra ottica. I dati verranno trasmessi ad una stazione diagnostica centralizzata da un trasmettitore/ricevitore laser. In questo
modo sarà possibile monitorare e controllare in modo
centralizzato intere batterie di generatori a vento.
Anche questa ricerca si avvale di convenzioni di ricerca e della collaborazione con l’Università di
Amiens (Francia).
Fig. 3. Sistema di acquisizionetrasmissione.
105
Argomento: DIAGNOSTICA DI MOTORI ELETTRICI
Nominativi di
riferimento: F. Filippetti, D. Casadei, C. Rossi, A. Stefani, A. Yazidi
La ricerca intende consolidare tecniche diagnostiche recenti quali la Signature Analysis
(SA), basata sulla corrente statorica (Current Signature Analysis - CSA) o sul flusso disperso (Flux Signature Analysis - FSA), ed indagare nuove strategie che si appoggino a
metodologie avanzate quali analisi simbolica, approcci neurali, logiche fuzzy e strumentazione virtuale sia in attivazione locale che in attivazione remota (Distance Monitoring DM).
La SA si basa sul fatto che in caso di guasto il circuito (rotorico o statorico) affetto dal guasto non è più un sistema trifase bilanciato e ciò da origine a specifiche componenti nello
spettro dei segnali elettrici. Tali componenti costituiscono
pertanto un significativo indicatore diagnostico. La fig. 1 riporta un caso tipico di guasto rotorico, nel rotore di un motore trifase a gabbia di media tensione vi è una barra rotta
distaccata dall’anello. Nell’ambito della ricerca sono stati
studiati sia modelli matematici generali che consentono di
analizzare il comportamento di motori in regime dissimmetrico qualsiasi, sia modelli semplificati che si riferiscono ad
un particolare guasto. Allo stesso tempo sono state studiate tecniche di analisi dei segnali per individuare in modo efficiente gli indicatori diagnostici. Ambienti di progettazione
di strumenti virtuali come LabVIEW hanno permesso di inFig. 1. Rotore a gabbia con
tegrare in un unico sistema diverse tecniche diagnostiche
una barra rotta.
con un’interfaccia sofisticata per acquisire ed elaborare segnali, secondo una filosofia di semplicità d'uso, ed automatizzazione del sistema diagnostico. La fig. 2 mostra un esempio (realizzato nell’ambito di una convenzione con ENEL) di analisi diagnostica del tipo CSA: le due componenti spettrali marcate dai cursori testimoniano la presenza di un guasto rotorico. La filosofia diagnostica che ha dato i migliori risultati
può sintetizzarsi nella sigla FC-FSDM
(Fault Classification-Fault Specific Diagnostic Method). Un task di primo livello
classifica il guasto (con una rete neurale
classificatrice ad esempio, oppure con un
metodo convenzionale); un secondo livello
attiva uno o più metodi diagnostici specifici
disponibili per valutare la severità del guasto. Recentemente, nell’ambito di una collaborazione internazionale fra laboratori di
ricerca attivi nel settore della diagnostica,
si è deciso di studiare uno strumento stanFig. 2. Esempio di pannello con analisi diagnostica
dard sempre basato su Labview che condi un motore con una barra rotta.
senta lo scambio di dati e di tecniche diagnostiche ed il Monitoraggio a Distanza (Distance Monitoring DM). Tutto ciò richiede il
progetto di un nuovo file-system standard e l’implementazione di strumentazione virtuale
attivabile anche in remoto. In altre parole col nuovo software un’attività sperimentale ad
esempio ad Amiens potrà essere attivata e controllata da Bologna (anche in forma visiva
con un sistema a videocamera). Il nuovo sistema è già stato realizzato in una prima versione ed è installato presso i laboratori delle università di Bologna e di Amiens (Francia).
106
Argomento: TECNICHE AVANZATE DI IA NELLA DIAGNOSTICA DELLE
MACCHINE ELETTRICHE
Nominativi di
riferimento: F. Filippetti, A. Stefani, A. Yazidi, M. Artioli
Un sistema diagnostico deve avere la capacità intelligente di individuare, localizzare e valutare la presenza di guasti con sufficiente sensibilità ed anche e soprattutto in stadio incipiente. Inoltre, per essere proponibile sotto il profilo pratico, deve avere caratteristiche di
semplicità applicativa rispettando quindi il principio della Minimum Configuration
Intelligence (MCI). A questo scopo è di estremo interesse l’utilizzo delle tecniche avanzate
dell’Intelligenza Artificiale (IA) (approcci neurali, tecniche fuzzy e neuro-fuzzy etc.). Infatti i
guasti sono legati ad indicatori che possono rappresentare la signature di vari segnali
(elettrici principalmente ma anche meccanici, termici etc.). Nel complesso una analisi diagnostica crea un vettore di indicatori Fault Set (FS) che, normalizzato, assume un aspetto
diverso a seconda del guasto presente. Da qui nasce immediata l’idea di utilizzare una
rete neurale classificatrice per individuare i guasti, del tipo Self Organizing Maps (SOM).
Essa, formata da una griglia predefinita di neuroni,
permette la riduzione dello spazio di ingresso in uno
spazio di minori dimensioni, per esempio in una
mappa a due dimensioni. L’addestramento, basato
su regole di apprendimento competitive, fornisce alla
rete la capacità di riconoscere similitudini fra vettori.
Conseguentemente vettori simili vengono proiettati
nella stessa area della mappa di uscita e tanto più i
vettori sono simili tanto meglio vengono raggruppati.
Considerando che nel nostro caso FS simili corrispondono allo stesso guasto si ottiene una mappa
topografica dei guasti. Un esempio è fornito in fig. 1
Fig. 1. Mappa di guasto.
ove sono stati classificati 3 eventi: macchina sana H,
rottura di barra di rotore 1, corto circuito di statore 2 e
guasti meccanici nei cuscinetti 3. Il dataset di apprendimento è stato costituito con un centinaio di casi. Risultati equivalenti sono stati ottenuti anche usando classificatori fuzzy. Al
problema della classificazione segue quello della valutazione della severità del guasto.
Questo problema può risolversi con l’uso di reti neurali supervisionate addestrate, per
questioni di fattibilità, con approccio misto datafp
based e model-based. L’ esempio di fig. 2 mostra
una rete utilizzata per correlare la percentuale di
spire in corto nello statore (uscita fp) con l’am9
piezza della componente armonica di guasto. Il
vettore dei 4 ingressi sintetizza informazioni sulla
componente di guasto e sulle condizioni operati- Bia
ve della macchina. Le varie tecniche possono poi
essere automaticamente gestite da un sistema
esperto con base di conoscenza che ingloba in
4
forma di regole la conoscenza degli apparati da Bias
monitorare. Un esempio applicativo è stato sviluppato utilizzando l’ambiente di sviluppo commerIpo/Ip ΔIp/Ip
s/(1.25 In/Ir
ciale basato su regole di produzione NEXPERT
OBJECT.
Fig. 2. Rete supervisionata.
107
Area di Ricerca: 4. Macchine ed attuatori elettrici
Argomento: MOTORI LINEARI ASINCRONI
Nominativi di
Il motore lineare di tipo asincrono permette la generazione di forze di spinta senza la necessità del contatto materiale fra le parti che interagiscono. Inoltre, la struttura dell’indotto
puo’ risultare estremamente semplice ed economica. E’ quindi possibile far muovere un
corpo solido od un fluido senza interazioni di tipo meccanico fra le due parti.
L’utilizzo del motore asincrono come sistema di propulsione ferroviaria ad alta
velocità, è un tema ampiamente studiato.
Esso trova oggi numerose applicazioni in
varie parti del mondo. Altri importanti impieghi possono riguardare le pompe per
metalli liquidi, le applicazioni di magnetofluidodinamica, i generatori elettrici a moto
lineare (onde marine), i sistemi di trasferimento dei bagagli, e molte altre applicazioni anche nel campo “consumer”.
Il gruppo di ricerca di Bologna possiede
una lunga esperienza nel settore. L’attività
scientifica, iniziata negli anni ’60, ha perFig. 1. Pista di prova del motore lineare a T.
messo di formulare dapprima modelli matematici idonei allo studio, portando poi alla realizzazione di un Brevetto per invenzione industriale: "Motore elettrico lineare utilizzabile su qualsiasi tipo di percorso compresi quelli
curvi a breve raggio e con forti variazioni di pendenza". Inventore designato Prof. Ing. Benito Brunelli, a nome Università degli Studi di Bologna. Brevetto depositato il 5 giugno
1990 al N. 3536 A/90.
In Fig. 1 è visibile la pista ad anello chiuso realizzata presso il Laboratorio del Dipartimento. Su tale pista è stato provato un particolare modello di motore lineare avente gli induttori
disposti a forma di “T” (Fig. 2). L’impianto di prova ha consentito inoltre di verificare le
tecniche di alimentazione del motore a “T” mediante
l’impiego di un convertitore trifase c.a./c.a. controllairon-stack
to con tecnica PWM. Il metodo presenta requisiti di
semplicità ed economia, impiega solo quattro interruttori statici bidirezionali, consente il controllo delalum inium
w indings
l'ampiezza della componente fondamentale delle
tensioni concatenate, indipendentemente dal fattore
Fig. 2. Rappresentazione schematica
di potenza del carico. Inoltre le armoniche indesidedel motore lineare a T.
rate si riscontrano solo alla frequenza della portante. La regolazione non simmetrica della tensione d'uscita del convertitore permette sia il
controllo della velocità sia una riduzione dello squilibrio delle correnti. Con l'impiego di un
opportuno modello matematico basato sull’analisi FEM del campo elettromagnetico è stato
possibile determinare le condizioni ideali di alimentazione che rendono nulla la componente di sequenza inversa delle correnti. Tenendo conto degli effetti di estremità nel senso
del moto, è possibile calcolare il valore istantaneo della forza sviluppata. Ciò anche in presenza di discontinuità nella lamina secondaria o allorché si consideri lo spostamento dell'induttore anche nella direzione normale al senso del moto. Tale modello consente di determinare il funzionamento in regime permanente come soluzione asintotica delle equazioni differenziali di macchina a velocità costante.
108
Argomento: MOTORI ROTANTI BRUSHLESS
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, G. Serra
I moderni azionamenti ad elevate caratteristiche dinamiche impiegano sempre più diffusamente attuatori che hanno la struttura delle macchine sincrone ed impiegano magneti
permanenti per la generazione del flusso di eccitazione. Uno dei maggiori problemi di carattere progettuale è quello di ottenere un funzionamento a coppia costante, esente cioè
da ondulazioni, pur ricorrendo a soluzioni costrutΔ
tive che risultino relativamente semplici ed economiche (Fig. 1).
Al fine di tenere conto dei fattori suddetti il progetto
del motore è stato ricondotto alla soluzione di un
problema di ottimizzazione consistente nella
minimizzazione di una funzione costo nel rispetto
di alcuni vincoli: massimizzazione della fondamentale della fem indotta (massima coppia), minimizzazione del contenuto armonico di tale fem e
minimizzazione della cogging torque.
Nell’ambito di un Contratto di Ricerca per lo sviluppo di una serie di motori, la tecnica suddetta è
stata impiegata nella progettazione ottima di un
motore a magneti superficiali aventi 3 coppie di
Fig. 1. Disposizione dei magneti sulla
poli. Tale progettazione ottima è basata
superficie del rotore.
sull’applicazione di una procedura a due passi. Nel
primo passo si determinano i parametri principali
della geometria del rotore mediante un algoritmo di minimizzazione globale basato su di
un’analisi di campo di tipo monodimensionale. Nel secondo passo l’ampiezza d’arco dei
magneti viene ritoccata al fine di minimizzare la cogging torque mediante un’analisi agli
elementi finiti di tipo bidimensionale. Questo secondo passo non comporta apprezzabili
variazioni dell’ampiezza determinata nel primo passo e quindi non altera apprezzabilmente
il contenuto armonico della fem indotta.
La validità del metodo di progettazione proposto è
stata verificata mediante prove sperimentali eseguite
su prototipi realizzati adottando le dimensioni ottimali
individuate. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo
con i valori di progetto.
Il metodo proposto è stato poi opportunamente modificato ed applicato nel caso di progettazione ottimale
di un motore con limitato numero di poli. Sono state
introdotte, quali gradi di libertà, le dimensioni di ogni
singolo magnete, sia nel caso di parziale ricoprimento della superficie rotorica, sia nel caso di totale
ricoprimento. Questa seconda soluzione consente di
realizzare i magneti in un unico corpo in forma di
tubo che viene poi magnetizzato “in situ”. Prove speFig. 2. Prototipo di rotore con
rimentali condotte su prototipi realizzati hanno conmagneti in plastoneodimio.
fermato la validità dello studio teorico (Fig. 2).
109
Argomento: SISTEMI A LEVITAZIONE MAGNETICA
Nominativi di
Nei sistemi di trasporto ad alta velocità è importante ridurre le forze d’attrito tra la parte
mobile e la parte fissa. Una soluzione ottimale consiste nell’eliminare completamente questa forza utilizzando un sistema di sospensione basato sul principio della levitazione magnetica: il sostentamento è ottenuto evitando il contatto meccanico tra le parti in movimento relativo, sfruttando forze di tipo elettromagnetico.
Il sistema di sospensione preso in considerazione e di tipo elettrodinamico (EDSMAGLEV), ed è costituito da una bobina di levitazione superconduttiva che si muove ad
alta velocità sopra una lamina conduttrice. I sistemi EDS sono basati su forze di repulsione
e quindi risultano intrinsecamente stabili, ma presentano ridottissime capacità di
smorzamento delle oscillazioni. Per questo motivo si è proposto di ottenere il desiderato
effetto di smorzamento ponendo alcune bobine concentriche al di sotto della bobina di levitazione principale (Fig. 1.) e successiBobina di levitazione superconduttiva
vamente si è analizzata la dinamica verticale del sistema così ottenuto, considerando diverse tecniche di controllo delle
bobine di smorzamento
La dinamica verticale del sistema di soBobine di smorzamento
spensione in veicoli a levitazione magnetica ad alta velocità è un elemento cruLamina conduttrice
ciale, essendo strettamente collegata con
Terreno
la sicurezza e il comfort di viaggio. Inoltre,
miglioramenti nelle prestazioni delle so- Fig. 1. Disegno schematico del sistema di levitazione.
spensioni permettono di aumentare la velocità del veicolo, aumentare le tolleranze di costruzione della pista e ridurne la manutenzione, con conseguente riduzione del costo dell’intero sistema.
Lo studio si è basato su un modello circuitale del sistema ed il valore dei parametri si è
ottenuto mediante analisi agli elementi finiti, per diversi valori dell’altezza del sistema di levitazione (Fig. 2.).
Le tecniche di smorzamento prese in considerazione sono di tre tipi: smorzamento passivo
(bobine di smorzamento chiuse in corto circuito), smorzamento attivo (bobine controllate in
tensione, sfruttando schemi di controllo con retroazione di grandezze elettriche e/o
meccaniche del sistema) e smorzamento combinato (alcune bobine in corto circuito ed
altre controllate in tensione).
Le prestazioni del sistema di smorzamento
passivo, che presenta il maggior grado di
sicurezza in caso di guasto, sono risultate
le più scadenti, evidenziando una notevole
dipendenza dal materiale utilizzato per le
bobine smorzatrici. Al contrario il sistema di
smorzamento attivo con retroazione di
grandezze meccaniche si è rilevato il migliore, anche se intrinsecamente non sicuro. Un giusto compromesso si è dimoFig. 2. Mappa della distribuzione del campo
strato il sistema di smorzamento combigenerato dalla bobina superconduttiva.
nato, che unisce buone prestazioni alla sicurezza intrinseca.
110
Area di Ricerca: 5. Motori direct-drive
Argomento: MOTORI BRUSHLESS AD AVVOLGIMENTI CONCENTRATI
Nominativi di
I motori sincroni a magneti permanenti, denominati anche motori “brushless”, trovano sempre maggior diffusione grazie alla
crescente disponibilità ed economicità di magneti permanenti
con elevata energia specifica. Le accelerazioni sono superiori,
grazie alla bassa costante di tempo elettromeccanica e la coppia massima ottenibile può raggiungere valori molte volte superiori al valore nominale.
Sono anche possibili particolari soluzioni costruttive di tali motori che trovano impiego nel campo delle applicazioni di tipo
“gearless” e “direct-drive” nelle quali si ha l’accoppiamento diretto del motore al carico meccanico. In tal modo si consegue
un’elevata compattezza del prodotto, la semplificazione dell’installazione, un’ottima controllabilità del moto ed anche la riduFig. 1. Analisi FEM di
zione dei rumori durante il funzionamento.
macchine sincrone a
In questo ambito, tra le soluzioni costruttive che maggiormente
magneti permanenti con
esaltano il rapporto coppia/volume dei motori sincroni a magneti
avvolgimenti concentrati.
permanenti, vi sono quelle che, in virtù della bassa velocità di
rotazione, prevedono l’adozione di un elevato numero di poli, con il conseguente alleggerimento della struttura e la necessità di impiego di avvolgimenti a passo raccorciato, con
numero frazionario di cave per polo e per fase. In questi casi la forma costruttiva
dell’avvolgimento risulta del tipo “a dente avvolto” o “avvolgimento concentrato” (“nonoverlapping winding”).
I Ricercatori di Bologna, nell’ambito di vari contratti di ricerca, hanno sviluppato lo studio
ed il progetto di motori brushless ad avvolgimenti concentrati (Fig. 1) sia con rotore esterno, adatti all’impiego per argani gearless e motoruote (Fig. 2), sia con rotore interno. La
progettazione ha avuto tra gli obiettivi principali la semplicità di realizzazione, l’affidabilità
del funzionamento e l’assenza di ondulazioni nella coppia sviluppata dal motore. Allo scopo sono state appositamente individuate soluzioni integrate di problematiche meccaniche,
tecnologiche ed elettromagnetiche.
Argano gearless per ascensori
Motoruota per veicoli industriali
Fig. 2. Realizzazioni che impiegano motori brushless con rotore esterno ed avvolgimenti concentrati.
111
Argomento: MOTORI LINEARI DC BRUSHLESS
Nominativi di
Gli attuatori lineari possono, trovare impiego in numerosi e sempre più diffusi campi di applicazione. Dal posizionamento di tavole per la lavorazione meccanica, alla manipolazione di pezzi
ecc. Inoltre, molte delle movimentazioni nelle applicazioni di
“domotica” possono essere affidate ad attuatori lineari di tipo
economico.
Il Gruppo di Ricerca ha affrontato lo studio degli attuatori lineari
in corrente continua senza spazzole e senza cave d'armatura
(Fig. 1). L'interesse per la macchina suddetta risiede principalmente nella semplicità del controllo richiesto e nei contenuti costi
di realizzazione. La parte fissa è costituita da tre barre affiancate
di materiale ferromagnetico; la barra centrale è avvolta con due
avvolgimenti collegati in serie. La parte mobile comprende due
magneti permanenti.
Nell’ambito di un Contratto di Ricerca per lo sviluppo di un sistema di movimentazione di ante scorrevoli (Fig. 2) è stato dapprima formulato un modello matematico in analisi monodimensionale che tiene conto delle cadute di forza magnetomotrice nei
gioghi della struttura. Il modello
Fig. 1. Prototipo di motore
matematico è stato convalidato
lineare c.c senza spazzole
mediante prove sperimentali cone senza cave.
dotte su prototipi. Sono stati affrontati anche i problemi del progetto ottimo dell’attuatore,
sia con magneti in ferrite sia in terre rare, ed è stato esaminato il problema del controllo di posizione, definendo le
caratteristiche di un controllore di tipo adattativo nel quale
si è assunto un modello di riferimento di tipo semplificato
con parametri di macchina indipendenti dalla posizione
della parte mobile e dal valore della corrente nel circuito di
armatura.
Il modello magneticamente lineare e semplificato dell’attuatore è stato messo a confronto con un modello più rigoroso
che tiene conto degli effetti della saturazione del materiale
magnetico, basato sull’analisi FEM (Fig. 3). Dal confronto si
è evidenziata la grande influenza del livello di saturazione
Fig. 2. Applicazione del motore
del circuito magnetico sulle prestazioni della macchina,
lineare c.c.in un azionamento
particolarmente nelle realizzazioni che richiedono un’ampia
per porte scorrevoli.
corsa della parte mobile.
Fig. 3. Distribuzione del campo magnetico nel funzionamento a carico.
112
Argomento: MOTORI LINEARI TUBOLARI BRUSHLESS E PASSO-PASSO
Nominativi di
E’ noto il crescente interesse verso le applicazioni industriali che prevedono l’impiego di
attuatori lineari nei sistemi di posizionamento. L’applicazione diretta della forza al carico evita l’interposizione di ingranaggi e/o riduttori, migliorando la precisione, la banda passante
e la dinamica del sistema di controllo. L’affidabilità del sistema risulta notevolmente migliorata e la manutenzione molto ridotta. Ciò rende sempre più spesso preferibile l’opzione per
l’attuatore lineare rispetto alle tradizionali soluzioni che impiegano macchine rotanti.
Fig. 1. Banco prova per motori tubolari brushless.
Nell’ambito di uno studio sono state esaminate
alcune soluzioni costruttive adottabili per la reSMC
alizzazione di attuatori tubolari a magneti perFASEA
FASE B
manenti. Le caratteristiche di funzionamento
ottenibili nei vari casi sono state confrontate
N S
con riferimento al valor medio ed alla componente alternativa della forza sviluppata, sulla
base di prefissati valori delle dimensioni d’inSlider
gombro e delle prestazioni richieste. I risultati
teorici sono stati confrontati con quelli dedotti
da prove sperimentali condotte su prototipi reaSMC
LAMINAZIONE
lizzati nell’ambito di un Contratto di Ricerca
Fig. 2. Rappresentazione schematica
con un’Azienda del settore (Fig. 1). Gli effetti di
del motore tubolare passo-passo.
estremità sono responsabili di rilevanti ondulazioni della forza prodotta dagli attuatori. E’ stata pertanto esaminata la possibilità di ridurre
tali ondulazioni mediante l’adozione di anelli disposti alle estremità dell’attuatore. Si è potuto verificare che, ricorrendo ad una particolare ed appropriata geometria di tali anelli, è
possibile abbattere il disturbo.
Per quanto concerne gli attuatori di tipo passo-passo, è stata definita una procedura progettuale per geometrie che impiegano sia
materiali laminati e sia parti in composti magnetici (Soft Magnetic Composite, SMC), tendente alla massimizzazione della forza prodotta nel rispetto di vincoli volumetrici e limiti termici (Fig. 2). Il metodo si avvale dell’impiego
combinato di una rete magnetica equivalente
e dell’analisi ad elementi finiti della geometria
al traferro (Fig. 3). La procedura, applicata ad
una tipica geometria di attuatore, ha permesFig. 3. Distribuzione di campo magnetico al
so di evidenziare l’influenza dei principali patraferro di un motore passo-passo.
rametri geometrici.
polo esternopolo interno
113
Area di Ricerca: 6. Sistemi di condizionamento della potenza
Argomento: FILTRI ATTIVI
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, C. Rossi, G. Grandi
I carichi di potenza non lineari, come ad esempio i raddrizzatori ac/dc causano degli effetti
indesiderati sui sistemi elettrici a cui sono connessi, quali distorsione armonica di corrente
e tensione, e richiesta di potenza reattiva. I filtri attivi in configurazione parallelo sono considerati come una soluzione praticabile per una contemporanea riduzione della distorsione
armonica e compensazione della potenza reattiva.
Il principio di funzionamento di un filtro attivo si basa
sull’utilizzo di un convertitore elettronico di potenza
per iniettare verso la rete le stesse componenti di
corrente armonica e reattiva richieste dal carico. In
questo modo il filtro attivo si comporta da generatore di corrente "non attiva" lasciando alla sorgente
il compito di erogare corrente sinusoidale ed in fase
con la tensione di rete qualunque sia l’assorbimento
del carico connesso.
In un sistema trifase un filtro attivo è costituito da un
inverter trifase. Sul lato dc dell’inverter è presente
una capacità con funzione di stabilizzazione della
tensione ad un valore che consenta all’inverter di
operare come generatore di corrente verso la rete. Le tre fasi di uscita dell’inverter sono
connesse alle tre fasi di rete tramite l’interposizione di induttanze di separazione.
Fig. 1. Schema di un filtro attivo parallelo.
Utilizzando una porzione dell’energia immagazzinata
sulle capacità di bus dc, il filtro attivo di tipo parallelo è
sia in grado di compensare un carico squilibrato, che di
ridurre l’effetto di una alimentazione con tensioni sbilanciate.
La compensazione delle armoniche di corrente e della
potenza reattiva possono essere ottenute utilizzando diverse soluzioni che prevedono l’impiego di filtri più o
meno complessi. Questi algoritmi generano il riferimento di corrente che il filtro deve iniettare, quindi le
prestazioni del filtro come compensatore armonico dipendono dalle caratteristiche dei regolatori di corrente.
load current
source voltage
source current
Fig. 2. Compensazione reattiva.
Il filtro attivo così configurato assorbe dalla rete solo una piccola quantità di potenza corrispondente alle perdite nei componenti.
I filtri attivi sviluppati dal Gruppo di Ricerca sono caratterizzati dall’impiego di un numero
minimo di trasduttori, dalla tecnica di generazione di un riferimento di corrente sinusoidale
di sorgente corrispondente alla componente fondamentale di sequenza positiva.
114
Argomento: GESTIONE DEI SISTEMI DI PRODUZIONE
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, C. Rossi
Questo argomento di ricerca è di interesse sia per la produzione stazionaria di energia
elettrica, sia per applicazioni di generazione elettrica su veicoli terrestri e su navi.
Il primo schema considerato si basa sull’utilizzo di un turbogeneratore a gas, dove l’alternatore è direttamente accoppiato all’albero della turbina e
ruota a velocità elevata (es.
12,000 rpm). Il generatore è costituito da una macchina brushless a magneti permanenti. L’energia prodotta è poi inviata ad
Fig. 1. Schema di PCS per l’interfacciamento con la rete
un convertitore ac/dc non condi un generatore sincrono.
trollato e da qui ad un bus dc
comune con l’inverter collegato
alla rete. Relativamente a questa struttura, presso il DIE, si è sviluppato il sistema di
controllo del flusso di potenza dalla turbina alla rete. Questo sistema si basa sulla possibilità di modificare il punto di lavoro del generatore sincrono attraverso la regolazione del livello di tensione sul bus dc.
Il secondo schema considerato è invece studiato specificatamente per il caso applicativo dei sistemi di trazione e propulsione ibrida dove
GENERATOR SET 2
sia preponderante l’impiego
del mezzo a potenza ridotta.
Il sistema di propulsione diesel-elettrico proposto è costituito da due gruppi di geneFig. 2. Sistema di trazione o propulsione ibrida.
razione primaria basato su
motori diesel e generatori
sincroni di tipo brushless funzionanti a velocità variabile. L'output dei due generatori è connesso ad un unico convertitore elettronico, appartenente alla categoria dei convertitori detti
"multilivello", in grado di gestire in modo flessibile il flusso di potenza proveniente dalle due
sorgenti e di trasmetterlo al motore elettrico connesso alle ruote di un veicolo o all’elica di
una nave.
L'utilizzo del sistema diesel-elettrico di propulsione consente di disaccoppiare la caratteristica di coppia - velocità all'albero dell'elica dalla caratteristica meccanica dei motori diesel. Il sistema è quindi in grado di massimizzare l'efficienza di conversione energetica in
ogni condizione operativa.
Con il sistema proposto, durante le operazioni a potenza ridotta, funziona un solo motore
termico dimensionato per operare vicino al punto di funzionamento ad efficienza massima.
Il secondo motore sarà avviato solamente alla richiesta di una potenza maggiore, (trasferimenti a velocità elevata).
MULTILEVEL
CONVERTER
GENERATOR SET 1
3-PHASE
6-WIRE
MOTOR
SPEED
REDUCER
INVERTER 1
standard PWM
DIESEL
ENGINE 1
PM SYNCHRONOUS
GENERATOR 1
RECTFIER 1
DC BUS 1
CONTROL SYSTEM
INVERTER 2
standard PWM
DIESEL
ENGINE 2
PM SYNCHRONOUS
GENERATOR 2
RECTFIER 2
DC BUS 2
115
LOAD
Argomento: SISTEMI AD IDROGENO
Nominativi di
riferimento: C. Rossi, G. Grandi
Si esamina un impianto di produzione ed accumulo di energia destinato al soddisfacimento integrale del fabbisogno energetico elettrico di un utenza residenziale. In questo
impianto, la produzione primaria di energia elettrica avviene mediante conversione fotovoltaica. L'accumulo di energia avviene mediante produzione di idrogeno con elettrolizzatore e stoccaggio in serbatoio. La produzione secondaria di energia elettrica avviene utilizzando un sistema di celle a
H
HO
O
pannelli fotovoltaici
O
H
combustibile. L'utenza è definita mediante diagrammi di
Cella a
H
Elettrolizzatore
combustibile
carico relativi alla composizione media della famiglia
+
+
+
dc
dc
dc
dc
dc
dc
italiana in funzione dell'area
geografica di appartenenza.
ac
dc
Presso il DIE è stato realizzato uno strumento di calcolo che consente di simulare
Fig. 1. Schema di un impianto solare – idrogeno.
su base giornaliera, mensile
ed annuale il comportamento energetico del sistema, in funzione della sua collocazione
geografica sul territorio italiano. Questo strumento consente quindi di valutare sotto il profilo energetico la fattibilità di questa tipologia di impianti. Tale software potrà anche essere
utilizzato per il dimensionamento preliminare dei diversi dispositivi.
2
2
2
2
2
2
Presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Bologna è stata installata una stazione sperimentale contenente tutti i
sottosistemi di conversione
in scala ridotta. Con questa
stazione sperimentale è possibile studiare le problematiche connesse sia con gli aspetti tecnologici (caratteristiche elettriche dei singoli
dispositivi, sviluppo dei diversi convertitori elettronici di
potenza) sia con le tecniche
di gestione dell'impianto
(controllo dei flussi di potenza tra le diverse unità mediante gestione dei riferimenti dei diversi convertitori).
Figg. 2 e 3. Cella a combustibile Ballard 1200W
ed elettrolizzatore Claind.
Figg. 4 e 5. Pannelli fotovoltaici e serbatoi di idrogeno.
116
Argomento: SISTEMI DI ACCUMULO DELL’ENERGIA
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, C. Rossi, G. Serra
Un sistema di condizionamento della potenza (PCS) che possa gestire un sistema di accumulo dell’energia è uno strumento per il miglioramento della qualità e dell’affidabilità
dell’alimentazione elettrica.
Sono diversi i compiti che possono essere eseguiti simultaneamente da questa struttura:
compensazione reattiva, riduzione delle componenti armoniche di corrente e smorzamento
delle variazioni di potenza determinate da carichi pulsanti. Questo sistema inoltre può operare come UPS (Uninterruptable Power Supply) durante brevi interruzioni dell’alimentazione elettrica.
Il PCS che è stato studiato presso il DIE è una struttura flessibile che può essere utilizzata
in combinazione a diversi sistemi di accumulo quali: batterie, volani, supercondensatori, e
SMES (magneti superconduttivi).
Nelle installazioni industriali dove è richiesta una grande affidabilità dell’alimentazione
elettrica si utilizzano UPS con batterie al piombo. Va però notato che il 90% delle interruzioni di energia elettrica sono molto brevi (< 1s), e nei casi rimanenti spesso l’UPS deve
rimanere in funzione per il tempo necessario ad avviare un gruppo elettrogeno (circa 30s).
In questa applicazione, in cui è richiesta l’erogazione di elevata potenza per un tempo
breve, un sistema di accumulo basato su batterie al piombo richiede un sovradimensionamento del pacco stesso e quindi un extra costo per una riserva di energia che non sarà
mai utilizzata.
Utilizzando questi nuovi sistemi di accumulo dell’energia adatti per applicazioni ad alta
potenza e bassa energia accumulata è ora possibile dimensionare al meglio il sistema di
accumulo per questa applicazione. Per la gestione di questi sistemi di accumulo il PCS
sviluppato dal DIE è costituito da un convertitore che consenta il flusso bidirezionale dell’energia tra il sistema di accumulo ed un bus dc a cui è collegato anche l’inverter. La configurazione del convertitore dipende dal tipo di sistema di accumulo utilizzato.
Presso il DIE si sviluppa il sistema automatico di controllo dei flussi di potenza che genera i riferimenti per i due convertitori nelle
source
modalità current source con rete presente e
nella modalità voltage source in caso di
static
supercapacitor bank
switch
mancanza dell’alimentazione. Si è inoltre
P
sviluppato il sistema di identificazione delle
P
P
condizioni di guasto della rete ed il sistema
P
C
L
di commutazione automatica tra le modalità
SMES
P
Storage
VSI
ac-link
dc-link
current source e voltage source che riduce
Device
inverter
transformer
capacitor
al minimo le discontinuità sulla tensione di
load
+
alimentazione vista dai carichi connessi.
S
SD
F
PCC
C
dc
ac
L
flywheel
Fig. 1. Schema di un PCS con
sistema di accumulo dell’energia.
117
Area di Ricerca: 7. Sistemi di interfaccia per fonti rinnovabili
Argomento: SISTEMI EOLICI
Nominativi di
riferimento: C. Rossi
La macchina elettrica utilizzata maggiormente in applicazioni di generazione eolica è la
macchina asincrona a rotore avvolto (Doubly Fed Induction Machine - DFIM). Per il controllo di questa macchina elettrica si è sviluppato un apposito algoritmo di controllo ed un
sistema di conversione prototipale è stato realizzato presso il LEMAD.
Tale controllo, oltre che nel settore eoR
S
lico, trova impiego in tutte quelle applicaT
zioni industriali a velocità variabile nelle
P ,Q
quali in generale la coppia di carico è
proporzionale al quadrato della velocità
P
meccanica (pompe, ventilatori, ecc…), ed
il range di controllo della velocità è abbaP,Q
stanza ridotto.
In queste applicazioni l’impiego di macchine asincrone a rotore avvolto, con lo
θR
statore collegato ad alla rete e il rotore
collegato ad un convertitore statico, rapSchema dell’interfaccia con la rete per
presentano una soluzione ideale perché
generatore eolico con macchina DFIM.
consentono di dimensionare il convertitore per la sola potenza di rotore che è una frazione (es. 5%) della potenza convertita. In
applicazioni di generazione eolica, la macchina asincrona funziona come generatore in un
campo di velocità variabile dal regime subsincrono (inferiore alla velocità di sincronismo) al
regime supersincrono (superiore alla velocità di sincronismo).
Il sistema sviluppato utilizza un convertitore back-to-back, cioè due inverter di cui uno collegato al rotore della macchina asincrona e
l’altro collegato alla rete. Dato che il sistema
sviluppato trova applicazione nel campo della
produzione di energia elettrica, al sistema è richiesto di iniettare in rete correnti sinusoidali e
la possibilità di eseguire un controllo disaccoppiato di potenza statorica attiva e reattiva.
Il principio di funzionamento del sistema di
controllo è basato sul controllo vettoriale
orientato con il flusso di statore (Stator Flux
Vector Control - SFVC), che assicura il disaccoppiamento richiesto mediante un controllo
appropriato ai valori istantanei della corrente
Convertitore back to back per l’interfacciamento rotorica.
STATORE DIRETTAMENTE
COLLEGATO ALLA RETE
s
s
ROTORE
ALIMENTATO
DA INVERTER
mec
BACK-TO-BACK
INVERTER
r
TRASDUTTORE DI
POSIZIONE
r
MACCHINA ASINCRONA
A ROTORE AVVOLTO
SISTEMA DI
CONTROLLO
con la rete di macchina asincrona a rotore avvolto.
Il sistema di controllo SFVC sviluppato è particolarmente idoneo a funzionare correttamente anche in presenza di alimentazione da rete non perfettamente sinusoidale. Per questo
sistema è stata messa a punto una procedura di avviamento ed arresto della macchina in
condizioni di sicurezza.
Il sistema di controllo è stato inoltre integrato con il sistema diagnostico per macchine
DFIM sviluppato presso il LEMAD ed in grado di ricavare informazioni sullo stato della
macchina dall’analisi delle grandezze di controllo dell’inverter sul rotore.
118
Argomento: SISTEMI FOTOVOLTAICI
Nominativi di
riferimento: C. Rossi, G. Grandi
La ricerca sui sistemi fotovoltaici è relativa allo sviluppo di convertitori elettronici per
l’interfacciamento dei pannelli fotovoltaici con la rete o con i carichi.
Si è sviluppato un convertitore a singolo stadio che
consente di interfacciare una stringa di pannelli fotovoltaici ad una rete elettrica monofase. Semplice
e ad elevata efficienza, adatto per applicazioni di
potenza, è caratterizzato da un innovativo sistema
di inseguimento del punto di funzionamento a potenza massima (MPPT) dei pannelli fotovoltaici.
La struttura hardware di questo convertitore è quella di un semplice inverter monofase, dove la stringa
di pannelli fotovoltaici è direttamente collegata al
Fig. 1. Pannelli fotovoltaici installati sul
bus dc, mentre la rete è collegata all’uscita dell’intetto della Facoltà di Ingegneria.
verter tramite l’interposizione di un induttanza di separazione o di un traformatore. In questo convertitore, il sistema di inseguimento MPPT si
basa sull’elaborazione della ondulazione della potenza istantanea intrinseca nei sistema
monofase.
La seconda attività di ricerca riguarda lo sviluppo di sistemi fotovoltaici a concentrazione. Il
fotovoltaico a concentrazione richiede una superficie attiva di conversione (silicio) molto
ridotta. L'energia solare è concentrata su questa piccola superficie per mezzo di concentratori parabolici o lineari, con capacità di concentrazione compresa tra i 100 e i 200 soli. A
parità di energia prodotta, il fotovoltaico a concentrazione utilizza solo una piccola frazione
di superficie attiva rispetto ai tradizionali sistemi piani. In questo modo, il costo del sistema
di conversione dell'energia è imputabile prevalentemente alla struttura meccanica che costituisce il concentratore a specchio e realizza l'inseguimento del sole. Si ritiene che questa tecnologia sia la più idonea ad essere realizzata su larga scala, in quanto la struttura meccanica potrà essere realizzata a basso costo mediante processi di produzione di facile implementazione a livello industriale. Per questa applicazione si sta sviluppando un sistema di conversione statica di tipo modulare specifico per concentratori parabolici a circa 100 soli. Il sistema di
conversione è costituito da un convertitore dc/dc
per ciascun concentratore e da un unico interfaccia con la rete per l’intero campo fotovoltaico. In
questo modo si realizza il tracking del punto a potenza massima per ogni concentratore e si gestisce in modo centralizzato il parallelo con la rete
massimizzando l’efficienza di conversione e l’affidabilità dell’erogazione di energia, ed anche riduFig. 2. Prototipo di convertitore fotovoltaico
a concentrazione (100 soli).
cendo il costo dell’impianto.
119
Argomento: SISTEMI IDROELETTRICI
Nominativi di
Nelle centrali di generazione di tipo idroelettrico è
consolidato l’impiego di generatori elettrici funzionanti a velocità fissa. Recentemente però, il
notevole sviluppo dei componenti elettronici di
potenza e il miglioramento delle tecniche di controllo ha reso possibile, nelle centrali di piccola e
media potenza, l’adozione di generatori elettrici
funzionanti a velocità variabile. Regolando in
modo opportuno la velocità di rotazione della turbina idraulica (Fig. 1) è possibile incrementare
l’energia estraibile dall’acqua e, di conseguenza,
aumentare il rendimento di generazione dell’intero
Fig. 1. Turbine idrauliche di tipo
sistema idroelettrico, in particolare nelle centrali
a) Pelton, b) Francis e c) Kaplan.
che presentano ampie variazioni dei valori di portata e di salto.
La necessità di far lavorare la turbina idraulica a velocità variabile, in presenza di una rete
elettrica a tensione e frequenza costanti, richiede l’impiego di un generatore elettrico accoppiato con un convertitore statico. Le soluzioni che si possono adottare fanno riferimento all’impiego di generatori di tipo sincrono oppure asincrono. Tra le diverse configurazioni proposte di notevole interesse risulta essere quella costituita da un generatore
asincrono a doppia alimentazione (Fig. 2): lo statore è direttamente collegato alle rete
mentre il rotore è alimentato a tensione e frequenza variabili mediante un convertitore acac, tipicamente in configurazione Back to Back.
Chiaramente l’impiego di un convertitore statico porta ad un incremento delle perdite nel
sistema, ma é importante evidenziare che la potenza processata dal convertitore dipende
dal range di variazione della velocità che si desidera ottenere. Per un impianto idroelettrico
tale potenza risulta essere solo una frazione della potenza elettrica generata.
Lo studio effettuato ha evidenziato la possibilità di controllare in modo disaccoppiato la
potenza reattiva di statore e la potenza meccanica utilizzando una strategia di controllo ad
orientamento di campo basata sul flusso di statore. In particolare si è posta l’attenzione
sull’ottimizzazione del rendimento del sistema turbina – generatore elettrico – convertitore,
analizzando gli effetti di diverse strategie di regolazione della potenza reattiva. Infatti, tale
potenza può essere erogata in rete in modo controllato sia attraverso lo statore che mediante l’inverter lato rete del convertitore ac-ac.
Si è poi valutata la possibilità di sostituire il convertitore ac-ac in configurazione Back to
Back con un convertitore ac-ac diretto a matrice. Il convertitore a matrice non ha uno stadio intermedio in corrente contiGeneratore
nua e, di conseguenza, non richieAsincrono
de la presenza del relativo condensatore. Questa soluzione innovativa, risulta vantaggiosa dal
punto di vista dell’efficienza, ma riRete
Convertitore
Turbina
chiede l’adozione di più complesAC-AC
se e sofisticate strategie di modulazione.
Fig. 2. Generatore asincrono a doppia alimentazione.
120
Area di Ricerca: 8. Trazione elettrica
Argomento: AZIONAMENTI PER TRAZIONE ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, C. Rossi, G. Serra
Si è sviluppata una gamma di azionamenti per trazione
elettrica basati sulla macchina sincrona a rotore avvolto
WRSM.
Lo sviluppo di una nuova macchina WRSM a poli salienti, di
una nuova tecnica di controllo vettoriale e la realizzazione
di un inverter dedicato hanno portato alla realizzazione di
un azionamento con prestazioni particolarmente adatte alle
Fig. 1. Azionamento WRSM
esigenze della trazione.
installato su un veicolo elettrico.
Gli azionamenti WRSM, in particolare sono in grado di:
− generare alta coppia a basse velocità con un sovraccarico limitato del convertitore elettronico di potenza
− operare a potenza costante fino a velocità teoricamente infinita
− operare ad efficienza elevata sia a bassa che ad alta velocità
La macchina WRSM richiede un avvolgimento di eccitazione sul rotore, anelli striscianti
per l’alimentazione del rotore ed un chopper dc/dc. Questo hardware aggiuntivo si basa su
tecnologie affidabili e non rappresenta un incremento rilevante del costo dell’intero azionamento.
Il convertitore elettronico di potenza è stato progettato per applicazioni in bassa tensione
ed alta corrente tipiche di alimentazioni con batterie al
piombo (VDC < 100V). Lo stadio di potenza del convertitore
utilizza mosfet collegati in parallelo su IMS – Insulated
Metal Substrate.
Il sistema di controllo si basa sulla famiglia di DSP TMS320F2812 di Texas Instruments. L’algoritmo controllo motore prevede di alimentare il motore sullo statore e sul rotore
in modo da ottenere il massimo rapporto Nm/A in ogni con- Fig. 2. Veicolo elettrico stradale.
dizione operativa.
Gli azionamenti di trazione di tipo WRSM sono sviluppati anche in configurazione:
− dual motor, per la soluzione motoruota (un motore per ruota con differenziale elettronico);
− multilevel converter, per applicazioni di elevata potenza (> 25kW).
L’ azionamento WRSM può operare come semplice controllo di coppia ricevendo un comando esterno oppure in combinazione al un sitema di controllo della trazione TCS.
Il sistema di controllo della trazione TCS è un controllore
automatico di tutte le funzioni di trazione nelle possibili condizioni operative di un veicolo elettrico stradale od industriale. Il TCS può essere configurato per uno o due pedali
di acceleratore ed include tutte le rampe di accelerazione, i
limiti di velocità, la gestione dei sovraccarichi, le procedure
di frenata, il controllo a velocità nulla, le funzioni di sicurezza e di diagnostica. Il TCS è interfacciato con le diverse
periferiche mediante protocollo di comunicazione CANFig. 3. Veicolo elettrico industriale. BUS.
121
Argomento: CALESSE ELETTRICO E VIVI
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, G. Serra, A. Tani, C. Rossi
Nell’ambito di progetti di ricerca MIUR sono stati sviluppati due veicoli elettrici speciali:
− Il calesse elettrico
− Il VIVI – Veicolo Innovativo per una Vita Indipendente
Il Calesse elettrico è una "concept car" derivata dal telaio del veicolo Porter Piaggio motorizzata con un innovativo sistema di trazione elettrica e con
una carrozzeria studiata appositamente per l’impiego in aree
di grande interesse ambientale: isole, parchi, ecc..
Le caratteristiche di questo veicolo sono: dimensioni ridotte,
elevata capacità di carico, buona visuale per i passeggeri,
buone prestazioni in salita, elevata autonomia, bassi costi di
esercizio e di manutenzione.
Le principali caratteristiche del sistema di trazione sono:
motore asincrono trifase raffreddato a liquido, azionamento
motore basato su una tecnica a controllo diretto di coppia
sensorless, batterie di tipo Nickel Sodio cloruro.
Il veicolo può trasportare fino a sei passeggeri più l’autista,
tutti comodamente alloggiati e con buona visuale. Questa
buona abitabilità è stata ottenuta grazie alla sistemazione del
pacco batterie interamente sotto piano di carico. L’autonomia
del veicolo è molto elevata e pari a circa 100km in ciclo urFig. 1. Il Calesse elettrico.
bano.
Il veicolo VIVI è un prototipo di quadriciclo leggero a propulsione elettrica nel quale il disabile agli arti inferiori entra autonomamente con la propria carrozzina, si pone direttamente
al posto di guida e, con l'ausilio di comandi appositamente adattati, circola sulle strade
cittadine con sufficiente sicurezza.
La motorizzazione elettrica è allarga il campo di utilizzo del veicolo, superando le restrizioni spesso poste alla circolazione dei veicoli con motore a combustione (zone a traffico
limitato, zone pedonali, cortili di palazzi, ecc.).
Il prototipo, che è stato progettato interamente presso il Dipartimento di Ingegneria elettrica, è caratterizzato da una forte innovazione in ciascuna delle sue componenti: telaio,
ausili di imbarco, sistema di trazione, gestione del sistema di accumulo. Il sistema di trazione, in particolare, si
basa su un azionamento con motore asincrono di tipo SFVC, sviluppato appositamente per
questa applicazione.
Fig. 2. Veicolo VIVI.
122
Argomento: MOTORI PER TRAZIONE ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: D. Casadei, G. Serra, C. Rossi
Motori asincroni per azionamenti in bassa tensione.
Il motore ad induzione sta divenendo una valida alternativa al tradizionale motore a corrente continua negli azionamenti per veicoli industriali a trazione elettrica. Le problematiche progettuali e costruttive di questa tipologia di motori sono principalmente riferibili al
basso valore della tensione che, per motivi di sicurezza, è disponibile a bordo del veicolo. La corrente nominale risulta quindi notevolmente elevata ed impone appropriate tecniche esecutive
dell’avvolgimento. In secondo luogo la frequenza nominale, determinata dalle scelte progettuali dell’azionamento, richiede l’impiego di adeguati materiali
magnetici. Inoltre l’esigenza di conseguire un ampio campo di funzionamento a potenza
costante, richiede di individuare la forma più opportuna
per le cave statoriche e rotoriche.
Nell’ambito di Progetti di Rilevante Interesse Nazionale
sono state messe a punto metodologie di studio che
hanno permesso, tra l’altro, la progettazione dei motori
installati sui prototipi di veicoli elettrici. Inoltre è stato allestito un banco freno per la simulazione realistica del
funzionamento in condizioni di esercizio.
Motori sincroni a rotore avvolto
Si è sviluppata una gamma di motori di tipo sincrono a rotore avvolto (WRSM - Wound
Rotor Synchronous Machine) ed a poli salienti da utilizzare in abbinamento agli inverter progettati appositamente per questo motore. L’azionamento WRSM presenta caratteristiche particolarmente adatta agli scopi della trazione, quali:
Analisi FEM della macchina
WRSM.
− coppia elevata a basse velocità con un sovraccarico limitato del
convertitore elettronico di potenza;
− capacità di erogare potenza costante fino a velocità
teoricamente infinita;
− efficienza elevata sia a bassa che ad alta velocità.
La macchina è realizzata con tecnologie semplici e molto
ben consolidate dal largo impiego che si fa di questa macchina in applicazioni di generazione elettrica a velocità costante. L’alimentazione del rotore prevede l’utilizzo di
spazzole striscianti su anelli, che non presentano particolari problemi di usura.
La densità di coppia massima (Nm/kg) ottenibile con questa macchina è paragonabile a quella di macchine asincrone. L’erogazione di coppia ad alta velocità avviene a Rotore della macchina WRSM.
potenza costante su un range di velocità più alto di qualsiasi altro azionamento convenzionale. Il fattore di potenza della macchina WRSM è sempre molto elevato e ad alta velocità è prossimo all’unità. Il rendimento della macchina
WRSM è superiore al 95% per macchine di potenza 10kW.
123
6.3 ING-IND/33 ♦ SISTEMI ELETTRICI PER L’ENERGIA
Il settore studia gli impianti ed i sistemi elettrici ed elettronici per l’energia. Lo spettro delle
applicazioni considerate si estende a tutti i sistemi di componenti interconnessi che utilizzano vettori elettrici energeticamente significativi e spazia quindi dalla produzione (da fonti
tradizionali o alternative, con cogenerazione, con accumulo, etc.) alla trasmissione ed
all’utilizzazione dell’energia elettrica (nelle costruzioni civili, nell’industria, nel terziario, nei
servizi territoriali, nei trasporti, nello spazio, etc.). A tale contesto afferiscono, in particolare, argomenti quali la sicurezza elettrica, l'automazione, l'affidabilità e la diagnostica dei
sistemi elettrici, la tecnica delle alte tensioni, la gestione dell'energia elettrica l'ingegneria
dei materiali per i sistemi elettrici, gli impianti elettrici di bordo, i sistemi per i trasporti elettrificati e la multiforme gamma degli impianti elettrici speciali, dalla domotica sino ai vari sistemi computerizzati. Gli aspetti trattati comprendono l’analisi, la pianificazione, la progettazione, la realizzazione, la gestione ed il controllo dei sistemi. Gli strumenti utilizzati appartengono all’intera gamma delle varie metodologie elettriche ed includono, nell'ambito
applicativo dell’impiantistica elettrica, l’automazione, l’informatica, l’elettronica di potenza e
le comunicazioni, nonché gli aspetti metodologici dell’affidabilità, della qualità, della sicurezza e dell’economicità. Sono, altresì, inclusi gli aspetti progettuali e tecnologici e di compatibilità elettromagnetica ed ambientale.
Professori ordinari
Gian Carlo Montanari
Carlo Alberto Nucci
Professori associati
Alberto Borghetti
Andrea Cavallini
Giovanni Mazzanti
Gianni Pattini
Ricercatori
Davide Fabiani
Mario Paolone
Dottorandi
Mauro Bosetti
Fabio Napolitano
Gaetano Passarelli
Subramaniam Chandrasekar
Fabio Ciani
Saverio Delpino
Collaboratori
Mauro Di Silvestro
Silvia Guerrieri
Luciano Simoni (*)
Dino Zanobetti (*)
(*) Professore Emerito
1. Produzione dell’energia elettrica.............................................................................. 126
- Affidabilità dei componenti dei sistemi di generazione eolici ......................................... 126
- Affidabilità ed estensione della vita utile di generatori elettrici di grande taglia.............. 127
- Dinamica della manovra di riavvio autonomo di centrali termoelettriche ripotenziate
con gruppi turbo-gas dopo 'black-out' ............................................................................ 128
- Impianti per la produzione distribuita dell'energia elettrica ............................................ 129
2. Trasmissione dell’energia elettrica .......................................................................... 130
- Affidabilità e diagnostica degli isolamenti in carta e olio ................................................ 130
- Affidabilità e diagnostica degli isolamenti per sistemi HVDC ......................................... 131
- Affidabilità e diagnostica degli isolamenti polimerici per sistemi HVAC ......................... 132
- Modelli affidabilistici per componenti dei sistemi elettrici ............................................... 133
- Modelli e codici di calcolo per la risoluzione di problemi di ottimizzazione tipici
del mercato concorrenziale dell'energia elettrica ........................................................... 134
124
- Modelli e tecniche per il contenimento dei campi elettromagnetici generati da
elettrodotti...................................................................................................................... 135
- Simulazione del comportamento dinamico delle reti elettriche d’energia e studio della
stabilità della tensione ................................................................................................... 136
3. Distribuzione dell’energia elettrica........................................................................... 137
- Correlazione tra buchi di tensione nelle reti elettriche ed eventi atmosferici.................. 137
- Diagnostica su isolatori per linee elettriche.................................................................... 138
- Effetto dei cicli termici nei cavi di distribuzione .............................................................. 139
- Studio delle procedure di localizzazione dei punti di guasto in sistemi elettrici
di distribuzione attraverso l’analisi wavelet di transitori elettromagnetici ....................... 140
- Protezione dei sistemi elettrici dagli effetti delle fulminazioni dirette.............................. 141
- Protezione dei sistemi elettrici dagli effetti delle fulminazioni indirette........................... 142
- Sistema automatico di misura per l'analisi della qualità dell'energia elettrica ................ 143
4. Utilizzazione e componenti ....................................................................................... 144
- Affidabilità ed estensione della vita utile di motori asincroni di grande taglia................. 144
- Caratterizzazione di accumulatori elettrochimici per la trazione elettrica....................... 145
- Studio dell’invecchiamento di motori elettrici alimentati da convertitori di potenza ........ 146
- Sviluppo di impianti dimostrativi per il trattamento elettrotermico e la vetrificazione
degli inquinanti dei terreni.............................................................................................. 147
5. Materiali innovativi..................................................................................................... 148
- Materiali elettreti per sensori e attuatori elettrici ed elettronici ....................................... 148
- Materiali nanostrutturati per applicazioni elettriche ed elettroniche ............................... 149
- Materiali superconduttori per il trasporto e l’immagazzinamento dell’energia elettrica .. 150
Ingegneria dei Materiali ed Alte Tensioni (LIMAT) ...................................................... 180
Il laboratorio si occupa di caratterizzazione di materiali impiegati nei sistemi elettrici, da
isolanti, a superconduttori, da nanomateriali a magnetici e piezoelettrici. Il laboratorio ha
anche una attività significativa nel settore della diagnostica delle apparecchiature, componenti e sistemi elettrici, divenendo un importante centro di ricerca a livello internazionale in
questi settori. Le apparecchiature presenti nel laboratorio permettono prove di alta tensione con qualunque tipo di forma d’onda, da DC ad AC alta frequenza, con forme d’onda
sinusoidali, impulsive o distorte. Ci sono sistemi innovativi per misurare cariche di spazio e
scariche parziali, permettività e perdite dielettriche, conducibilità, rigidità dielettrica, in diverse condizioni di umidità e temperatura. Responsabile del laboratorio è il prof. Gian
Carlo Montanari.
Ingegneria dei Sistemi Elettrici di Potenza (LISEP) .................................................... 182
Il laboratorio svolge attività di ricerca nei campi della dinamica delle centrali e dei sistemi
elettrici, e dei transitori elettromagnetici. Oggetto di ricerca sono anche i problemi di ottimizzazione tipici del mercato concorrenziale dell'energia elettrica e della generazione distribuita. L'attività sperimentale riguarda la protezione contro i fulmini, la gestione ed il
controllo di impianti di generazione distribuita, la caratterizzazione a breve e lungo termine
di batterie per veicoli elettrici, la realizzazione di impianti per la vetrificazione di terreni inquinati e l'identificazione dei modelli in alta frequenza di apparati elettrici, in particolare di
trasformatori di distribuzione. A partire dal 1994, l'attività scientifica è coordinata dal Prof.
Carlo Alberto Nucci.
125
Area di Ricerca: 1. Produzione dell’energia elettrica
Argomento: AFFIDABILITÀ DEI COMPONENTI DEI SISTEMI DI GENERAZIONE
EOLICI
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, D. Fabiani, G.C. Montanari
I sistemi di generazione eolici utilizzano convertitori elettronici per regolare il flusso di potenza che il generatore elettrico immette nella rete di distribuzione. Tali generatori elettrici
sono macchine elettriche costruite, solitamente, con sistemi isolanti organici.
L’affidabilità dei sistemi isolanti organici
accoppiati a convertitori è generalmente
inferiore a quella dei sistemi alimentati direttamente dalla tensione di rete (sinusoidale a 50/60 Hz). A parte incrementi di
temperatura legati alle maggiori perdite dielettriche e per isteresi magnetica associata alla frequenza di commutazione dei
convertitori (da qualche kHz ad alcune
decine di kHz), il fattore più importante di
invecchiamento di questi dispositivi sono
le scariche parziali, che erodono rapidamente il sottile strato di smalto che costituisce l’isolamento degli avvolgimenti.
La presente attività di ricerca è strettamente collegata all’attività più generale sullo studio dell’invecchiamento di
motori elettrici alimentati da convertitori di potenza, descritta nell’Area di Ricerca “Utilizzazione dell’energia elettrica”.
La ricerca in oggetto è caratterizzata da due distinti rami
di ricerca. Il primo concerne lo sviluppo di metodologie in
grado di fornire una corretta analisi comparativa dell’affidabilità di generatori accoppiati a sistemi elettronici di
controllo della potenza elettrica. Il secondo ramo
concerne lo sviluppo di sensori e circuiti per la misura di
scariche parziali nei motori/generatori asincroni accoppiati a convertitori di tipo PWM. Questo tipo di misura è
reso problematico dal fatto che le scariche parziali e gli
impulsi prodotti dal convertitore presentano contenuti in
frequenza comparabili. La ricerca in oggetto ha portato
allo sviluppo di circuiti e di sensori caratterizzati da un elevato rapporto segnale/rumore. Collaborazioni: Energy E2-generation Denmark, ABBTU
Denmark, University of Wroclaw.
126
Argomento: AFFIDABILITÀ ED ESTENSIONE DELLA VITA UTILE DI
GENERATORI ELETTRICI DI GRANDE TAGLIA
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, F. Ciani, D. Fabiani, G.C. Montanari
L’attività è volta ad identificare i punti deboli nei sistemi di isolamento delle macchine elettriche rotanti in media tensione mediante la misura di scariche parziali. Grazie all’attività sinergica del personale del DIE e dello spin off Universitario TechImp,
si è arrivati a sviluppare uno strumento innovativo
per la misura delle scariche parziali che, grazie ad
algoritmi di intelligenza artificiale, è in grado di fornire una diagnosi circa i difetti presenti nell’isolamento di macchina.
In particolare, sono stati sviluppati algoritmi di identificazione dei difetti basati sulla logica fuzzy, distinguendo le macchine isolate con sistema resinrich (normalmente utilizzate nelle centrali baseload)
da quelle isolate con sistema VPI (tipicamente utilizzate nelle centrali peak load). E’ stata
inoltre prestata particolare attenzione ai problemi relativi alla deformazione meccanica
delle testate (con conseguente deterioramento del sistema di isolamento) nelle macchine
utilizzate nelle centrali peak load. Sono state condotte e sono in corso collaborazioni con
le seguenti aziende operanti nel settore: General Electric, Teco Westinghouse, Asi Robicon e con centri di ricerca con Laborelec.
127
Argomento: DINAMICA DELLA MANOVRA DI RIAVVIO AUTONOMO DI
CENTRALI TERMOELETTRICHE RIPOTENZIATE CON GRUPPI
TURBO-GAS DOPO 'BLACK-OUT'
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, C.A. Nucci, M. Paolone
Descrizione della ricerca
La ricerca, svolta inizialmente in collaborazione con il Centro di Ricerca di Automatica
dell’ENEL e poi proseguita con il CESI, ha come scopo lo studio del riavvio autonomo
dopo ‘black-out’ di grandi gruppi termoelettrici ripotenziati con unità turbo-gas utilizzando
quest’ultima per alimentare i servizi ausiliari della centrale e parte della rete circostante.
Per lo studio è stato costruito un simulatore che riproduce le caratteristiche di funzionamento, nelle fasi d’avviamento e presa di carico, di un gruppo a vapore da 320 MW dotato
di caldaia a circolazione forzata Universal-Pressure (UP) e ripotenziato con una unità turbogas da 120 MW. Il simulatore, validato mediante registrazioni sperimentali in centrale,
consente l’addestramento di operatori al ripristino del servizio dopo black-out generale del
sistema elettrico. Il simulatore comprende un opportuno controllore di carico, il cui schema
è illustrato in figura. Tale dispositivo è in grado di trasferire progressivamente la potenza
dal gruppo a gas a quello a vapore mantenendo la potenza al livello richiesto dalla rete,
nonché di arrestare il processo per frequenze minime inaccettabili o insufficienti valori di
pressione del gruppo a vapore.
Schema a blocchi del coordinatore di carico
aggiuntivo per la manovra di riavvio autonomo in
seguito ad un black-out.
Simulazione di riavvio con un gruppo a vapore
e un gruppo turbogas.
128
Argomento: IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DISTRIBUITA DELL'ENERGIA
ELETTRICA
Nominativi di A. Borghetti, M. Bosetti, M. Di Silvestro, F. Napolitano, C.A. Nucci,
riferimento: M. Paolone
Una prima attività, in collaborazione con l’Università di Padova, è l'analisi del comportamento delle reti di distribuzione con generatori, sincroni o asincroni, di piccola potenza direttamente connessi alla rete o connessi attraverso convertitori statici. Una parte dello studio riguarda le correnti di cortocircuito e il coordinamento delle protezioni; una seconda
parte, in collaborazione con il CESI e l’Università di Genova-DIE, individua algoritmi per la
gestione ottima delle reti basata sull’impiego delle risorse di generazione distribuita. In
particolare viene studiata l’ottimizzazione della qualità del servizio elettrico a fronte delle
variazioni previste del carico alimentato, sfruttamento le possibilità di regolazione dei generatori distribuiti.
In collaborazione con il DIEM, vengono analizzati impianti di produzione idroelettrici costituiti da un gruppo di piccola taglia (decine di kW) che prevedono la sistemazione di tali
gruppi nella parte terminale di pozzi per il ripristino del livello della falda freatica, in sostituzione dei più comuni dissipatori.
In collaborazione con il DIEM, vengono sviluppati sistemi di regolazione di celle a combustibile utilizzate in reti elettriche in isola.
La figura mostra lo schema a blocchi della procedura implementata presso un impianto del
CESI costituito da un modello di rete autonoma riconfigurabile comprensivo di vari generatori distribuiti. A destra un esempio del profilo di tensione in rete prima e dopo
l’applicazione della procedura.
129
Area di Ricerca: 2. Trasmissione dell’energia elettrica
Argomento: AFFIDABILITÀ E DIAGNOSTICA DEGLI ISOLAMENTI IN CARTA
E OLIO
Nominativi di
In collaborazione con gestori di sistemi di trasmissione come Terna Spa, EDF, RTE, Transener, c costruttori come Areva, sono in corso studi per valutare lo stato di degradazione
di sistemi isolati in carta ed olio mediante la misura di scariche parziali. In particolare, sono
state condotte prove di laboratorio su modelli volte a quantificare il comportamento di diverse configurazioni elettroniche e difetti presenti nei siste-mi isolanti in oggetto. Dal punto
di vista della sperimentazione sul campo, sono state condotte campagne su trasformatori
di misura installati nella rete di trasmissione nazionale Italiana e Francese, monitoraggio di
autotrasformatori 380/132 kV nella rete di trasmissione nazionale Italiana e Argentina, così
come di trasformatori step up di centrali elettriche nella rete di produzione Indiana. Grazie
alla collaborazione con Terna Spa, è stato anche possibile provare trasformatori in cui
erano stati realizzati difetti artificiali. Il prodotto di queste attività sono metodologie per la
misura di scariche parziali e la diagnostica di sistemi operanti in alta ed altissima tensione,
con isolamento in carta ed olio.
130
Argomento: AFFIDABILITÀ E DIAGNOSTICA DEGLI ISOLAMENTI
PER SISTEMI HVDC
Nominativi di
riferimento: D. Fabiani, S. Delpino, G. Mazzanti, G.C. Montanari, F. Palmieri
Il gruppo di ricerca si è impegnato nello studio di tecniche per la valutazione dell’affidabilità
dei sistemi isolanti in corrente continua per sistemi di trasporto HVDC. Parte di questa ricerca è finanziata mediante il progetto europeo del 5° programma quadro HVDC (High
Voltage DC Transmission). L’accumulo di carica di spazio negli isolamenti è un fattore di
invecchiamento accelerato particolarmente importante nei sistemi HVDC a causa della
natura unipolare della tensione applicata. Pertanto le tecniche impiegate per la valutazione
dell’affidabilità di cavi di trasmissione in alta tensione continua sono basate sulla determinazione della distribuzione della carica di spazio nell’isolamento dei cavi, in particolare
mediante la tecnica dell’impulso elettroacustico, PEA. I sistemi PEA (Pulsed Electro
Acoustic systems, vedi Fig. 1) permettono di valutare la distribuzione di carica nello spessore dell’isolamento in funzione del tempo di polarizzazione e depolarizzazione (vedi Fig.
2). L’applicazione dei sistemi PEA realizzati presso il LIMAT concerne la scelta di materiali
per la realizzazione di cavi per interconnessioni HVDC. Le caratteristiche di depolarizzazione ottenute mediante le misure PEA (vedi Fig. 3) forniscono utili indici di invecchiamento ai fini della diagnostica degli isolament, fra i quali la mobilità dei portatori di carica
(indice della capacità del materiale di diffondere le cariche, evitando l’insorgere di pericolose concentrazioni di carica e quindi di campo elettrico) e la soglia di accumulo della carica (valore di campo al di sopra del quale l’isolamento tende ad accumulare carica).
Sempre in questo ambito, si sono sviluppati modelli di invecchiamento e vita per isolamenti per cavi HVDC basati sia sul ruolo della carica di spazio accumulata, sia sulla crescita del danno a partire da microdifetti.
Fig. 2
Fig. 1
Fig. 3
131
Argomento: AFFIDABILITÀ E DIAGNOSTICA DEGLI ISOLAMENTI POLIMERICI
PER SISTEMI HVAC
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, F. Ciani, S. Delpino, D. Fabiani, G.C. Montanari
I cavi polimerici per alta e media tensione sono asset di grande valore ed importanza
strategica per le reti elettriche di trasmissione e distribuzione. Il guasto di cavi in alta tensione in aree urbane può causare notevoli disagi e, nel caso sfortunato di effetto domino, il
blackout di intere aree. I cavi polimerici (in polietilene reticolato o in gomma etilen-propilenica) stanno sostituendo quasi completamente i cavi in carta ed olio utilizzati nei decenni
scorsi, con grandi vantaggi per quanto riguarda la compatibilità con l’ambiente ed il pericolo di incendi. Tuttavia, l’affidabilità di questi componenti è gravemente compromessa
dalla presenza di scariche parziali (SP). Normalmente, le SP sono localizzate negli accessori (terminazioni, giunti) dei cavi e sono dovute ad un assemblaggio incorretto
dell’accessorio stesso.
Il DIE, in collaborazione con lo spin off TechImp Spa, ha sviluppato tecniche per la misura, valutazione dello stato e localizzazione dei difetti nei sistemi in cavo con isolante polimerico. In particolare, sono state studiate metodologie per il
controllo di qualità, il monitoraggio e la diagnostica efficiente
di sistemi di cavo in alta e media tensione. Il gruppo DIE/
TechImp è diventato, grazie a questa attività, uno fra i più
importanti gruppi nel mondo per quanto concerne il controllo
di qualità e la valutazione dello stato di cavi polimerici operanti in alta ed altissima tensione. Personale dello spin off ha
condotto prove di questo tipo in Italia, Spagna, Francia, Singapore, Malesia, Abu Dabi, ecc..
132
Argomento: MODELLI AFFIDABILISTICI PER COMPONENTI DEI SISTEMI
ELETTRICI
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, D. Fabiani, G. Mazzanti, G.C. Montanari, G. Passarelli
0.30
Rush hours voltage factors
0.1
Kp afternoon
0.08
Kf - afternoon
0.25
0.08
0.06
0.06
0.04
0.04
0.02
0
0.95
Gaussian pdf
0.1
Probability density
frequency of occurrence [non-dimensional]
Il gruppo di ricerca conduce da tempo un’attività di ricerca sull’affidabilità dei componenti
invecchianti di sistemi di distribuzione MT/BT. A tal fine sono stati messi a punto modelli di
vita per isolamenti di componenti per sistemi di distribuzione ed utilizzazione MT/BT, quali
trasformatori, condensatori, motori e cavi, operanti in regime sinusoidale e non-sinusoidale, con particolare riferimento a quest’ultimo regime. Tali modelli, utilizzati come indicatori di tasso di guasto in funzione dei valori di corrente e tensione nei diversi punti del sistema (ottenuti mediante un opportuno calcolo di load flow armonico), hanno consentito di
individuare, a seconda delle diverse tipologie del sistema considerato, i componenti più
critici e i fattori di distorsione potenzialmente più dannosi per un corretto funzionamento
del sistema (vedi Fig. 1). Il gruppo si è inoltre occupato dell’affidabilità di isolamenti sottoposti a temperatura, alta tensione alternata e sovratensioni impulsive. Dalle conoscenze
sulla resistenza residua (“strength”) degli isolamenti invecchiati e sulle sovratensioni a cui
sono soggetti (“stress”, vedi Fig. 2), si è sviluppato un modello “stress-stength” di tipo
Weibull, con relativo modello affidabilistico di tipo log-logistico (vedi Fig. 3) a tasso di guasto variabile nel tempo, le cui stime a priori di affidabilità e percentili di tempo al guasto
vengono efficacemente aggiornate in base ai valori di stress ottenuti dal campo mediante
tecniche di stima bayesiana.
Nel 2005, inoltre, si è svolto un progetto di ricerca finanziato dal CESI per determinare
modelli affidabilistici in grado di incorporare informazioni provenienti da misure di indici
diagnostici al fine di creare un sistema automatico per la valutazione dello stato del sistema (generico) e fornire il valore atteso della vita residua.
0.02
1
1.05
1.1
1.15
0
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Krms afternoon
0.1
Weibull pdf
0.20
0.15
0.10
0.05
0.05
0.00
0
1.0005
1.001
1.0015
1.002
1.0025
0.0
1.003
0.5
1.0
Fig. 2
Fig. 1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
analytic RF (eq.(11), β = γ = 12)
integral RF (eq. (9), β = 15; γ = 12)
integral RF (eq. (9), β = 18; γ = 12)
0.2
0.1
0.0
0
1.5
peak impulse field (p.u. of peak rated field)
voltage factors [non-dimensional]
20
40
60
(
time (years)
Fig. 3
133
80
100
2.0
Argomento: MODELLI E CODICI DI CALCOLO PER LA RISOLUZIONE DI
PROBLEMI DI OTTIMIZZAZIONE TIPICI DEL MERCATO
CONCORRENZIALE DELL'ENERGIA ELETTRICA
Nominativi di
Studio, in collaborazione con il DEIS, con l’Università di Pisa, l’Università di Genova ed il
GRTN, di modelli e procedure per la soluzione dei problemi d’ottimizzazione che si presentano nel mercato dell’energia elettrica. Il primo riguarda, per i produttori, la più conveniente formulazione delle offerte da sottoporre al gestore del mercato elettrico, tenendo
conto sia del comportamento dei concorrenti, sia della domanda prevista, nei vincoli dei
costi e dei limiti tecnici dei loro impianti. Un secondo problema riguarda la copertura del
piano orario d’energia fornito dal mercato elettrico con un programma di produzione, con
discretizzazione temporale al quarto d’ora, compatibile con il sistema elettrico.
Studio dello ‘unit commitment’ (UC) tenendo conto della varietà di continuità dei contratti.
E’ stato sviluppato un modello, tradotto in un codice di calcolo, per la risoluzione del problema applicando il rilassamento lagrangiano al vincolo di soddisfacimento del carico.
Si sono approfonditi algoritmi d'ottimizzazione applicati al problema dello UC. E’ stato effettuato uno studio volto a migliorare l'efficienza delle procedure basate sul rilassamento
lagrangiano, oggi largamente impiegato, mediante l'utilizzo di un algoritmo ‘a fascio di informazioni’ per la soluzione del problema duale non differenziabile, in sostituzione del più
usuale metodo del subgradiente. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ottenuti
mediante un algoritmo basato sulla tecnica euristica nota in letteratura con il nome di
‘Tabu Search’.
Esempi di risultati ottenuti mediante l’applicazione di
procedure di programmazione lineare multiobiettivo.
134
Argomento: MODELLI E TECNICHE PER IL CONTENIMENTO DEI CAMPI
ELETTROMAGNETICI GENERATI DA ELETTRODOTTI
Nominativi di
riferimento: G. Mazzanti, G. Passarelli
Il gruppo di ricerca, vista anche la crescente sensibilità dell’opinione pubblica nei confronti
dei rischi associati ai campi elettromagnetici e le conseguenti ripercussioni sulla tempistica
di realizzazione delle infrastrutture elettriche, si è occupato di alcuni aspetti relativi alla
determinazione dei livelli di esposizione della popolazione ai campi magnetici a frequenza
industriale generati dalle linee di trasmissione aeree (vedi Fig. 1), e alla mitigazione di tali
campi. A tal fine, si è effettuata un’ampia rassegna
preliminare dei modelli disponibili in letteratura per
il calcolo del campo magnetico generato da linee
elettriche. Poi, valendosi di una rigorosa trattazione analitica e di un codice di calcolo sviluppato
all’uopo ed ampiamente validato, si è focalizzata
l’attenzione su alcune fonti di incertezza ed errore
nel calcolo dei livelli di esposizione continuativa di
tipo residenziale ai campi magnetici generati da linee di trasmissione aeree, corredando l’analisi con
diverse applicazioni numeriche a casi pratici.
L’analisi si è concentrata in particolare sulle linee
Fig. 1
di trasmissione aeree a doppia terna, trattando in
modo approfondito gli effetti dello sfasamento delle correnti di fase delle due terne sul
campo magnetico generato da tali linee, sia in condizioni di carico costanti (vedi Fig. 2),
sia in condizioni di carico variabili nel tempo (vedi Fig. 3). Tali effetti, se trascurati o non
correttamente valutati, possono condurre a gravi errori di calcolo, specie in virtù della dinamica temporale dei carichi, con ripercussioni negative sulla stima dei livelli di esposizione della popolazione e sulle strategie e gli accorgimenti tecnici volti a mitigare tali
campi.
Fig. 3
Fig. 2
135
Argomento: SIMULAZIONE DEL COMPORTAMENTO DINAMICO DELLE RETI
ELETTRICHE D’ENERGIA E STUDIO DELLA STABILITÀ DELLA
TENSIONE
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, C.A. Nucci
Analisi critica dei modelli dei carichi impiegati negli gli studi di stabilità della tensione. In
particolare, dei modelli di carico cosiddetti ‘generici’ non lineari descritti da due equazioni
differenziali indipendenti del primo ordine, che riproducono rispettivamente il recupero di
potenza attiva e quello di potenza reattiva in seguito ad un abbassamento del valore della
tensione alle sbarre di carico proposti in letteratura per l’impiego in codici di simulazione
dinamica dei sistemi di potenza.
La ricerca, condotta in collaborazione con Il DIE dell’Università di Padova, ha dapprima
evidenziato che i modelli ‘generici’ non lineari presi in considerazione, seppur atti a riprodurre la variazione della tensione al nodo di carico, non sono in grado di riprodurre l'instabilità della tensione a breve termine che è caratteristica dei sistemi a struttura longitudinale. Tale limitazione dei modelli ‘generici’ è dovuta essenzialmente al disaccoppiamento
delle equazioni che li descrivono, che prevedono un recupero indipendente di potenza attiva e reattiva. Si è mostrato che un miglioramento può essere ottenuto mediante una più
accurata riproduzione della caratteristica Q-V del carico mediante funzioni di tipo polinomiale.
Ulteriore analisi, condotte includendo tali modelli in reti di potenza aventi struttura più
complessa di quella longitudinale, mostrano che per tali reti l'instabilità è il risultato dell’interazione fra la dinamica veloce dei carichi (come è quella dei motori asincroni) con
quella, più lenta, dei trasformatori dotati di variatori di rapporto sotto carico, e quella dovuta alla presenza di limitatori di corrente d’eccitazione in certi generatori. Si è mostrato
che i modelli ‘generici’ consentono di riprodurre soddisfacentemente il comportamento di
sistemi aventi struttura complessa solo quando essi vengono impiegati per simulare il carico in prossimità di nodi del sistema nei quali le variazioni di tensioni sono limitate dall’azione dei trasformatori a rapporto variabile; l'azione del variatore rende infatti minime le
differenze fra i diversi modelli di carico. Viceversa, in altri nodi di rete si rendono necessari
modelli più fedeli.
In figura è mostrato il confronto fra gli andamenti
dinamici all’apertura della linea L4 ottenuti mediante l’utilizzo di un modello dettagliato del carico industriale al nodo 8 ed i modelli generici.
136
Area di Ricerca: 3. Distribuzione dell’energia elettrica
Argomento: CORRELAZIONE TRA BUCHI DI TENSIONE NELLE RETI
ELETTRICHE ED EVENTI ATMOSFERICI
Nominativi di
Le sovratensioni causate dalle fulminazioni
indirette nelle reti di distribuzione dell’energia elettrica, possono causare guasti tra le
fasi o tra queste e terra. Per poter rimuovere tali guasti è necessaria la presenza di
interruttori recloser, i quali, in seguito al loro intervento, determinano il ripristino della
tensione di alimentazione al valore nominale. Tale ripristino fa seguito alla diminuzione di breve durata di essa (o all’annullamento, nel punto di guasto) denominata
buco di tensione (voltage sag o voltage dip
in Inglese) di cui risentono in nodi della rete vicini al punto di guasto. Tali buchi di tensione possono causare gravi malfunzionamenti
a diverse tipologie di apparecchiature elettriche ed elettroniche.
Nelle reti di distribuzione dell’energia elettrica sono presenti anche altre cause in grado di
provocare buchi di tensione. In ogni caso l’esperienza mostra che i sistemi elettrici situati
in regioni con elevato livello isoceraunico sono i più soggetti al fenomeno dei buchi di
tensione. Conseguentemente, risulta di notevole interesse la messa a punto di modelli in
grado di correlare le fulminazioni a guasti nei sistemi elettrici di potenza legati alla
presenza di buchi di tensione.
La ricerca si svolge nell'ambito di una collaborazione con il CESI e l’ENEL distribuzione volta
allo studio del miglioramento della qualità del servizio nelle reti di distribuzione. Essa ha come
obiettivo lo sviluppo di una procedura statistica,
basata sull'utilizzo del codice di calcolo LIOVEMTP96 e degli errori sulla stima del punto di impatto e della corrente di fulmine, in grado di stimare il grado di correlazione tra gli eventi di fulminazione è l’intervento dei dispositivi di protezione
automatica. Utilizzando infatti i dati registrati dal
sistema italiano rilevamento fulmini (CESI-SIRF)
è possibile calcolare, relativamente a ciascun evento registrato da tale sistema, la probabilità che
l’evento abbia generato un guasto in una rete di
distribuzione situata nelle sue vicinanze.
1,3 m
b
a
10,8 m
c
10 m
La figura mostra una rete di distribuzione nel nord
dell’Italia assieme ai punti di impatto registrati dal
CESI-SIRF analizzati per eseguire la procedura
di correlazione.
137
Argomento: DIAGNOSTICA SU ISOLATORI PER LINEE ELETTRICHE
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, S. Chandrasekar, F. Ciani, G.C. Montanari
L’inquinamento superficiale degli isolatori ceramici e polimerici impiegati nelle linee aeree di trasmissione è una minaccia per la rete di trasporto nazionale. Ad esempio,
l’inquinamento salino può causare il cortocircuito degli isolatori con messa fuori servizio della linea stessa, come accaduto 22 settembre 2001 in Sardegna.
In collaborazione con il Centro Elettrotecnico Sperimentale
Italiano (CESI Spa) ed il gestore della rete di trasporto nazionale (Terna Spa) sono stati studiati e sono in corso di
sperimentazione metodi innovativi per valutare lo stato di
inquinamento ambientale e di degradazione superficiale degli isolatori impiegati nelle linee di trasmissione. E’ stato individuato un metodo innovativo (in corso di brevettazione)
basato sulla misura delle scariche parziali ed opportuno
trattamento dei dati con metodi statistici e di intelligenza artificiale. Da un primo prototipo si è arrivati a sviluppare un
prodotto stand-alone, alimentato da celle fotovoltaiche, che
può essere installato su un traliccio della rete di trasmissione e funzionare in modo autonomo. Sistemi di connessione basati su modem GSM sono impiegati per trasmettere, in tempo reale, lo stato degli isolatori ad un sistema di
controllo (SCADA) remoto.
138
Argomento: EFFETTO DEI CICLI TERMICI NEI CAVI DI DISTRIBUZIONE
Nominativi di
riferimento: G. Mazzanti
120
900
110
hot-spot temperature (°C)
1000
800
700
600
500
400
300
100
90
80
70
60
50
transient temp. Ti(t)
regime temp. Ti,oo
40
200
30
0
6
12
18
0
24
4
8
hours of the day (h)
12
16
hours of the day [h]
Fig. 1
loss-of-life fractions [cycles-1]
cable rms current (A)
Nell’ambito della sottotematica “Invecchiamento dei componenti delle reti di distribuzione”
del P.R.I.N. 2002 intitolato “Gestione del rischio e qualità dell’energia elettrica”, ha avuto
inizio l’analisi degli effetti dei cicli di carico e dei relativi transitori termici sugli isolamenti
dei cavi di trasmissione AAT, distribuzione primaria AT (sub-trasmissione) e secondaria
MT, impiegando: 1) il noto approccio del CIGRE per la soluzione dei transitori termici dei
cavi di energia sottoposti a gradini di corrente, nonché a cicli di carico costanti a tratti; 2) il
modello di vita elettrotermico non sogliato ottenuto combinando i modelli di vita di Arrhenius e dell’Inversa Potenza; 3) la legge del danno cumulato di Miner per stimare la variazione di vita prodotta dai cicli di carico. In tal modo si è potuto portare in conto anche
l’effetto del sinergismo tra sollecitazione elettrica (assunta costante) e sollecitazione termica (variabile durante i transitori), sviluppando quindi una procedura per la stima accurata dei percentili di tempo al guasto dei cavi in presenza di carico giornaliero variabile.
Questa procedura è stata applicata a cavi di distribuzione primaria AT isolati in gomma
etilen-propilenica (EPR) e in polietilene reticolato (XLPE). In tal modo, per cicli di carico del
tipo illustrato in Fig. 1 si sono potuti stimare i transitori della temperatura all’interfaccia
conduttore-isolante (vedi Fig. 2) e le frazioni di vita dell’isolamento perdute (vedi Fig. 3),
ottenendo importanti elementi per valutare la durata di vita del cavo in presenza delle condizioni di carico giornaliere effettive e il possibile prolungamento del periodo di servizio rispetto alla vita di progetto.
Fig. 2
10-3
LF(transient)
LFR(regime)
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
1
2
3
4
step number
Fig. 3
139
5
6
20
24
Argomento: STUDIO DELLE PROCEDURE DI LOCALIZZAZIONE DEI PUNTI DI
GUASTO IN SISTEMI ELETTRICI DI DISTRIBUZIONE ATTRAVERSO
L’ANALISI WAVELET DI TRANSITORI ELETTROMAGNETICI
Nominativi di A. Borghetti, M. Borsetti, M. Di Silvestro, F. Napolitano, C.A. Nucci,
riferimento: M. Paolone
La qualità del servizio elettrico, con riferimento al numero e alla durata delle interruzioni,
dipende in modo significativo dal numero di guasti (cortocircuiti) nelle linee delle reti di
distribuzione e dal tempo necessario per il ripristino del collegamento. Le reti di distribuzione sono infatti comunemente esercite ‘in radiale’, ossia con un solo percorso di alimentazione dell’utenza e, talvolta, senza la disponibilità di un percorso alternativo di alimentazione anche in caso di guasto.
BUS2
L4_2km
Load
L3_5km
L2_3km
150/20 BUS4
BUS5
L5_1km
150kV
BUS1
L1_2km
Load
Tr_1_20MVA
1
2
BUS3
Load
Path 1
Path 2
Path 3
Path 4
Path 5
Considerando che la riduzione della
probabilità di cortocircuiti nelle linee
è, se anche attuabile, spesso molto
onerosa, risulta particolarmente importante limitare i tempi di ripristino
del servizio sia mediante manovre
di riconfigurazione della rete sia mediante la rapida riparazione del guasto. A tale fine è importante una rapida e sicura localizzazione del guasto stesso.
Dato il grande interesse per l’argomento, numerosi e diversi sono i metodi proposti sia in
ambito accademico sia industriale ed applicati dalle società che eserciscono le reti di
distribuzione. Tale interesse si è addirittura accresciuto negli ultimi anni quando la ristrutturazione competitiva del mercato dell’energia elettrica ha dato maggiore importanza alla valutazione dei requisiti di qualità del servizio che le società di distribuzione assicurano all’utenza.
L’attività di ricerca è svolta in collaborazione con il CESI. Essa riguarda lo sviluppo e la
verifica della robustezza di un algoritmo basato sull’utilizzo della trasformata wavelet
continua (CWT – Continuous Wavelet Transform) applicata per analizzare i transitori di
tensione causati dal guasto stesso e misurati in uno o più nodi della rete. Attraverso
l’analisi CWT di tali transitori, risulta infatti possibile desumere informazioni significative sul
percorso che ha portato la perturbazione dal punto di guasto al punto di misura.
L’algoritmo è stato ulteriormente sviluppato mediante un ampliamento delle funzionalità di
analisi basate sulla definizione di opportune wavelet madri – inferite direttamente dal transitorio prodotto dal guasto – che consentono di migliorare le prestazioni della procedura di
localizzazione e di superare i limiti derivanti dall’utilizzo di funzioni wavelet madri standard.
La verifica dell’efficacia dell’algoritmo viene effettuata
mediante la simulazione dettagliata di transitori elettromagnetici causati da cortocircuiti, che coinvolgono una
o più fasi, in reti di distribuzione con diverse configurazioni realistiche, comprendenti linee bilanciate o sbilanciate, carichi simmetrici e dissimetrici e presenza di generazione distribuita.
La figura a destra mostra il risultato della analisi CWT di
un transitorio di guasto.
140
Argomento: PROTEZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI DAGLI EFFETTI DELLE
FULMINAZIONI DIRETTE
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, S. Guerrieri, C.A. Nucci, M. Paolone, F. Napolitano
Una prima attività riguarda l'analisi critica dei dati statistici
delle correnti di fulmine pubblicati in letteratura. Si è recentemente osservato che tali statistiche, che costituiscono
un dato di ingresso fondamentale nelle procedure di calcolo
per la progettazione dei sistemi di protezione contro le fulminazioni, possono in taluni casi risultare affette dalle riflessioni multiple, fino ad ora non prese in conto, che si verificano alla base ed alla sommità delle torri di rilevamento.
Per meglio analizzare tali effetti, è stata condotta una attività di ricerca modellistica e sperimentale, in collaborazione
con l’EPFL, con l’Università di Toronto e con il CINVESTAV
di Guadalajara-Mexico, che ha consentito di validare sperimentalmente modelli di calcolo della distribuzione spaziotemporale della corrente di fulmine in presenza di oggetti verticali utilizzando dati sperimentali provenienti da misure condotte sulla CN-Tower di Toronto e su modelli in scala ridotta. Le torri di rilevamento hanno anche una influenza sulle distribuzioni statistiche dei
parametri delle correnti di fulmine. Esse tendono infatti ad attrarre maggiormente i fulmini
caratterizzati da una maggiore corrente. Per questo secondo aspetto, la ricerca è volta allo
sviluppo di una procedura, basata sul metodo di Monte Carlo, che dalle distribuzioni statistiche dei parametri delle scariche misurate mediante torri di rilevamento consente di calcolare le corrispondenti distribuzioni ‘decontaminate’ dalla presenza della torre stessa. La
procedura, applicata alle distribuzioni statistiche presenti in letteratura, fornisce risultati in
accordo con quelli ottenuti con altri metodi, meno generali, in quanto limitati ad un solo parametro della corrente di fulmine (valore di picco della corrente) ed applicabili solo a modelli semplificati per la rappresentazione della esposizione della torre alla fulminazione.
Sempre nell’ambito di tale attività di ricerca, viene condotto lo studio dell’interazione tra gli
aerogeneratori e le scariche atmosferiche. Obiettivo di tale attività di ricerca è lo sviluppo
di sistemi di protezione contro le fulminazioni dirette di turbine eoliche e l’individuazione
dei relativi criteri di progettazione, tenendo in conto la particolare tipologia di tali impianti.
L’attività di ricerca, svolta nel quadro di una
collaborazione di ricerca con l’Università di Roma “La Sapienza” - DIE e la Letiwind, si è concentrata anche sullo sviluppo e la validazione
sperimentale di modelli analitici e numerici di
componenti meccanici ed elettrici di aerogeneratori sottoposti a scariche atmosferiche. E’
stato inoltre messo a punto un prototipo di sistema di protezione la cui efficacia viene monitorata attraverso un sistema di acquisizione
dati installato in campo.
La figura a sinistra mostra il sistema di misura
per la caratterizzazione dell’impedenza di trasferimento di un cuscinetto in scala ridotta di una turbina eolica assieme ad un modello
FEM per il calcolo del campo elettrico in un corpo volvente del cuscinetto stesso.
141
Argomento: PROTEZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI DAGLI EFFETTI DELLE
FULMINAZIONI INDIRETTE
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, S. Guerrieri, F. Napolitano, C.A. Nucci, M. Paolone
Induced Current [A]
L’attività è coordinata con quella di una di un gruppo di lavoro della CIGRE, di una Task
Force CIRED/CIGRE, e di un gruppo di lavoro della IEEE. Essa si svolge nel quadro di
una collaborazione internazionale tra l’Università di Bologna, il Politecnico federale di Losanna (EPFL-LRE) e l’Università di Roma ‘La Sapienza’ (DIE). Il LISEP ha poi esteso, in
tempi diversi, la collaborazione ad altre Università ed Enti o imprese nazionali ed estere:
Università della Florida (DEE), Politecnico di Lisbona, Università di Uppsala, Università
delle Forze armate di Monaco, ENEL-CESI, Università di Pisa, Università di Napoli, Electricité de France, Università di San Paolo del Brasile.
La ricerca si sviluppa secondo i seguenti punti:
- caratterizzazione dell'impulso LEMP e sviluppo di modelli della distribuzione spaziotemporale della corrente di fulmine per il calcolo del campo elettromagnetico impulsivo.
Tra questi, quello denominato “Modified Transmission Line (MTL) model” è stato convalidato mediante risultati sperimentali ottenuti al Kennedy Space Center delle NASA in
Florida, ed impiegato da ENEL-CESI e da EdF per il calcolo del LEMP e delle sovratensioni indotte.
- analisi critica dei modelli proposti in letteratura per la descrizione dell’accoppiamento
LEMP-conduttori, ed estensione di essi al caso di linee aeree di distribuzione dell’energia elettrica su suolo di conduttività finita;
- analisi di sensibilità delle sovratensioni e sviluppo di codici di calcolo per la valutazione
di esse per configurazioni complesse di linea: la suddetta attività di ricerca ha portato
allo sviluppo di un codice di calcolo, denominato LIOV – Lightning-induced overvoltage
code e la sua estensione LIOV-EMTP, che
consente il calcolo delle sovratensioni indotte su linee multiconduttore e sistemi di
distribuzione complessi considerando la
conducibilità finita del suolo. Validazioni di
tale codice sono state effettuata mediante
risultati sperimentali ottenuti attraverso
campagne di misura condotta presso
l’International Center for Lightning Research and Tests dell’Università della FloFulminazione artificiale
rida, e mediante simulatori NEMP;
su linea di distribuzione.
Camp Blanding, Florida. - coordinamento dell’isolamento e delle protezioni nelle linee di media tensione in vista
150
della migliore qualità nella fornitura di
100
energia elettrica: è stato proposto un me50
todo, basato sulla tecnica di Monte Carlo e
0
sui modelli precedentemente menzionati,
-50
che consente di ottenere il numero di soEsempio di validazione sperimentale
-100
del codice di calcolo LIOV-EMTP
vratensioni indotte all’anno che, per una
-150
data linea e per un certo livello ceraunico,
IB6 Simulated
-200
superano il livello di isolamento della linea
IB6 Measured
-250
stessa. Il metodo proposto è stato adottato
0.E+00
2.E-06
4.E-06
6.E-06
8.E-06
1.E-05
Time [s]
dalIa IEEE (Std. 1410).
142
Argomento: SISTEMA AUTOMATICO DI MISURA PER L'ANALISI DELLA
QUALITÀ DELL'ENERGIA ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, C.A. Nucci, M. Paolone, L. Peretto, R. Tinarelli
[km]
Studio nell’ambito di un progetto pluriennale in collaborazione con il gruppo di misure elettriche ‘Studio, progetto e realizzazione di un prototipo di un sistema automatico di misura
con caratteristiche innovative per l'analisi della qualità dell'energia elettrica’. Obiettivo è la
realizzazione di un sistema di misura distribuito per il rilievo della qualità della forma
d’onda della tensione nei nodi di una rete di distribuzione. Esso consente l’analisi e la caratterizzazione di disturbi aperiodici mediante la trasformata wavelet. Questa consente la
stima della durata dei transitori e la ricostruzione degli stessi ed è strumento utile per la
loro caratterizzazione. Nella sua versione discreta, essa consente l’estrazione del disturbo
eliminando la componente a frequenza industriale. E’ stato realizzato l'hardware relativo
alla strumentazione ad architettura complessa e distribuita ed analizzata la possibilità di
utilizzo di strumentazione virtuale con architetture complesse costituite da strumenti commerciali e sistemi di acquisizione dati opportunamente interfacciati tra loro. Si sono sviluppati alcuni pacchetti software, che utilizzano la trasformata wavelet, per la gestione del si3
stema di misura distribuito, software
Node 4
Node 7 Node 5
che può essere utilizzato per creare
Node 2
Node 3
2.5
Node 6
database contenenti ‘power quality siNode 1
Circle of stroke
gnatures’ che consentono anche una
location
2
uncertainty
classificazione dei disturbi aperiodici.
due to the LLS
E’ stato presentato un metodo per
Closest
1.5
stroke location
l’utilizzo simultaneo dei dati proveto Node 1
1
Estimated
nienti da un sistema di acquisizione
stroke
location
distribuito e di quelli provenienti da un
0.5
Farthest
sistema di rilevamento fulmini (Lightstroke location
to Node 1
ning Location System - LLS).
0
1
2
3
4
5
6
[km]
3
Le figure mostrano un esempio di rete di distribuzione in cui una fulminazione indiretta, registrata dal Sistema
Italiano Rilevamento Fulmini (CESISIRF), produce sovratensioni indotte
misurate nei vari nodi della rete.
Induced Voltage [kV]
2
1
0
-1
Node 1 closest stroke location
-2
-3
a)
-4
0
5
10
15
20
25
30
Time [μs]
143
Area di Ricerca: 4. Utilizzazione e componenti
Argomento: AFFIDABILITÀ ED ESTENSIONE DELLA VITA UTILE DI MOTORI
ASINCRONI DI GRANDE TAGLIA
Nominativi di
Attività di ricerca affine a quella già mostrata
nell’area 1. In questo caso, il soggetto della ricerca sono i motori in media tensione il cui
guasto comporta ingenti perdite economiche o
pericoli per la sicurezza degli operatori (esempio, motori di processo utilizzati all’interno di
impianti come raffinerie o stadi di compressione per oleodotti o gasdotti, motori impiegati
nei sistemi di raffreddamento di centrali elettriche, ecc.).
Viste le affinità nelle tecnologie costruttive di
generatori e motori (il sistema isolante è sempre del tipo resina epossidica/mica, realizzato
mediante la tecnica VPI), l’attività di ricerca si
presenta essenzialmente come un caso particolare di quella già mostrata. Tuttavia, si deve
rilevare che, in questo caso, i sistemi di captazione delle scariche parziale hanno costi e
prestazioni inferiori rispetto a quelli utilizzati per i generatori. Ciò comporta un minor rapporto segnale rumore rispetto al caso precedente, con qualche difficoltà aggiuntiva.
144
Argomento: CARATTERIZZAZIONE DI ACCUMULATORI ELETTROCHIMICI PER
LA TRAZIONE ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, C.A. Nucci, M. Paolone, D. Zanobetti
L'attività, inizialmente svolta nel quadro del Progetto finalizzato Energetica 2 del C.N.R., è
proseguita successivamente tramite collaborazioni con enti ed industrie nazionali. Ha
come oggetto lo studio dell'influenza delle modalità di carica e scarica sulle prestazioni e
sulla durata degli accumulatori per uso di trazione elettrica. L'attività
prevede la progettazione e
la realizzazione di banchi
automatici in grado di gestire prove sia di caratterizzazione delle prestazioni a breve termine sia di
durata su accumulatori per
autotrazione, nonché la
esecuzione di misure di
caratterizzazione a breve
e lungo termine. I banchi
consentono la applicazione di cicli di scarica-carica con profili di corrente
riproducenti le modalità di impiego, e la misura continua delle grandezze significative (tensione, corrente, temperatura, capacità, energia e potenze erogate). Particolare attenzione
viene rivolta alla individuazione di indici per la stima dello stato di carica e di invecchiamento.
Battery capacity [Ah]
35
Un contratto con la Ducati Energia dal titolo ‘Caratterizzazione di batterie innovative destinate ad applicazioni nel campo
della trazione elettrica’, ha riguardato lo
studio dell'impiego di batterie Ni-Zn e Pb
avanzate per trazione elettrica leggera ibrida. La ricerca comprende lo sviluppo di
modelli circuitali e per l'analisi dello stato
di carica di accumulatori innovativi Ni-Zn.
32.5
30
C/1.5 experimental
C/3 experimental
C/5 experimental
C/1.5 model
C/3 model
C/5 model
27.5
25
15
20
25
30
35
40
45
Temperature [°C]
145
Argomento: STUDIO DELL’INVECCHIAMENTO DI MOTORI ELETTRICI
ALIMENTATI DA CONVERTITORI DI POTENZA
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, D. Fabiani, G.C. Montanari
L’impiego dell’elettronica di potenza per l’alimentazione dei motori asincroni sta diventando sempre più vasto grazie ai minori costi
dei convertitori elettronici e ai vantaggi significativi in termini di controllo di coppia e di
velocità delle macchine elettriche. I più comuni azionamenti a velocità variabile impiegano convertitori di potenza con tecniche di
modulazione a impulsi (ad es. PWM, modulazione a larghezza di impulso). Purtroppo, è
stato dimostrato che questo genere di alimentazione può causare un aumento della sollecitazione nell’isolamento elettrico rispetto ad una alimentazione sinusoidale con tensione a
50/60 Hz, diminuendo, in tal modo, drasticamente la durata e l'affidabilità dei motori controllati. L'affidabilità dell'isolamento degli avvolgimenti del motore, come si fa per altri sistemi isolanti, può essere studiata mediante misure di scariche parziali.
Attualmente la ricerca è focalizzata sui seguenti argomenti:
•
•
•
•
•
•
studio della distribuzione di potenziale all’interno degli avvolgimenti del motore;
sviluppo di sensori UHF non invasivi, ad es. antenne, per la misura di scariche parziali su fili smaltati e su statori di motori ad induzione;
riduzione dei disturbi irradiati dalla commutazione del convertitore per mezzo di sistemi di filtraggio del segnale di scarica parziale prelevato dal sensore;
caratterizzazione dei difetti dell’isolamento mediante l’analisi dei pattern (vedi figura
sotto) relative ad acquisizioni multiple di scariche parziali;
sviluppo di sistemi diagnostici non invasivi per misure on-line su motori elettrici;
studio della correlazione tra carica di spazio e scariche parziali su fili smaltati
alimentati da onde quadre unipolari e bipolari.
La ricerca in oggetto ha contribuito significativamente allo sviluppo di metodologie per prove accelerate (adottate a
livello IEC) in grado di fornire una corretta analisi comparativa dell’affidabilità di
fili smaltati utilizzati per la realizzazione
di motori, generatori e trasformatori elettrici.
146
Argomento: SVILUPPO DI IMPIANTI DIMOSTRATIVI PER IL TRATTAMENTO
ELETTROTERMICO E LA VETRIFICAZIONE DEGLI INQUINANTI
DEI TERRENI
Nominativi di
riferimento: A. Borghetti, C.A. Nucci, M. Paolone, G. Pattini
La ricerca è iniziata con il Programma nazionale di ricerca per l'ambiente, avente per titolo
"Tecnologie per il risanamento dei terreni inquinati", Rif. 149115-1261/374 (Tema n° 15),
finanziato dal MIUR, in collaborazione con il Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico Ambientali ed il Dipartimento di Ingegneria Chimica, mineraria e delle tecnologie ambientali dell'Università di Bologna, l'A.R.E.A. (Azienda Ravennate Energia Ambiente, ora
Gruppo H.E.R.A.) ed il Centro Ricerche e Servizi Ambientali – Fenice S.p.A. (gruppo EdF),
già C.R.A. del gruppo Montedison.
La ricerca ha come
scopo il trattamento
degli inquinanti contenuti nei terreni mediante processo di
vetrificazione. Sono
stati progettati e realizzati quattro impianti
per la fusione delle
parti inquinate per effetto Joule, rispettivamente in scala di laboratorio, in scala
pre-pilota, in scala pilota e prototipo. Lo
studio comprende la
caratterizzazione elettrica del suolo durante le fasi principali
del processo.
Voltage_Vbd p.u. (Vb=500V)
Resistance_Rbd p.u. (Rb=10 Ohm)
Reference of the active power control (Pb=100 kW)
Current_Ibd p.u. (Ib=500A)
Active Power_Pbd p.u. (Pb=100kW)
Hysteresys of the active power control [Pb=100 kW]
2.5
2
1.5
[p.u]
Tale caratterizzazione ha successivamente consentito lo
sviluppo e l’ottimizzazione dei
sistemi di controllo degli impianti elettrici di potenza destinati alla fusione del terreno ed
alla integrazione degli stessi
con i dispositivi di abbattimento degli effluenti gassosi.
Le figure mostrano l’impianto
pilota progettato e realizzato
assieme all’andamento di alcune grandezze caratteristiche
durante il processo di vetrificazione per l’impianto pilota.
1
0.5
0
0
2
4
(i) (ii)
147
6
8
10
Time [h]
(iii)
12
14
16
18
20
Area di Ricerca: 5. Materiali innovativi
Argomento: MATERIALI ELETTRETI PER SENSORI E ATTUATORI ELETTRICI
ED ELETTRONICI
Nominativi di
riferimento: A. Cavallini, F. Ciani, D. Fabiani, G. Mazzanti, G.C. Montanari
Si definisce elettrete (o ferroelettrico) un materiale che mantiene la carica elettrica per
molto tempo in seguito ad un processo di polarizzazione. Gli eletteti sono utilizzati per realizzare trasduttori piezoelettrici (cioè, forniscono un segnale elettrico correlato alla forza
ad essi applicata) e condensatori di elevata
capacità specifica. Trovano inoltre impiego in
svariate applicazioni industriali, quali la realizzazione di sensori di grande superficie per il
monitoraggio delle funzioni umane, nei sistemi
di sicurezza, negli altoparlanti piatti e nei pannelli attivi fonoassorbenti. Negli ultimi anni, è
stata scoperta la possibilità di realizzare elettreti per mezzo di materiali polimerici cellulari, che sono più economici più facilmente lavorabili rispetto alle terre rare, i materiali ferroelettrici tradizionali. Gli elettreti polimerici cellulari sono ottenuti introducendo delle particelle riempitive (quali talco, mica, carbonato di
calcio) in una matrice polimerica; durante la fase di estrusione del materiale, i riempitivi
sviluppano dei gas che espandono il materiale producendo cavità, le quali, infine, vengono
allungate e deformate applicando uno stiramento bi-assiale, ed espanse mediante trattamento termico. La figura riporta una fotografia realizzata con un microscopio elettronico a
scansione di un elettrete polimerico cellulare, nella quale sono facilmente riconoscibili sia
le particelle riempitive sia le cavità.
L’attività di ricerca sui materiali cellulari espansi al LIMAT ha lo scopo di individuare un
materiale con elevati coefficienti di trasduzione elettromeccanica e con caratteristiche stabili col tempo e con la temperatura. Per raggiungere tale obiettivo sono state sviluppate le
seguenti attività:
•
studio del fenomeno dell’accumulo di carica di spazio e della sua variazione durante la
polarizzazione, per mezzo del metodo PEA (metodo dell’impulso elettro-acustico);
•
studio della possibilità di iniettare carica, applicando un opportuno campo elettrico DC;
•
calcolo del campo elettrico di soglia per l’accumulo di carica di spazio e del campo elettrico di soglia per il quale il materiale diventa elettrete;
•
studio del comportamento del materiale in funzione del tempo e della temperatura;
•
studio dei processi di carica tramite misure di scariche parziali;
•
realizzazione di un modello matematico del fenomeno di carica.
148
Argomento: MATERIALI NANOSTRUTTURATI PER APPLICAZIONI ELETTRICHE
ED ELETTRONICHE
Nominativi di
Le nanotecnologie rappresentano un campo di ricerca molto attrattivo e che può rivelarsi
di forte impatto sullo sviluppo di componenti elettrici ed elettronici avanzati.
Negli ultimi anni il LIMAT è stato coinvolto, insieme a vari partner nazionali ed internazionali, in programmi di ricerca sui materiali nanocompositi per applicazioni negli apparati
elettrici. Piccole percentuali di nanofiller sono spesso sufficienti a modificare in modo significativo il comportamento del polimero per quanto riguarda le proprietà meccaniche,
chimiche, ambientali ed elettriche. I materiali polimerici nanocompositi possono essere
impiegati negli apparati elettrici, quali cavi, condensatori e macchine.
Attualmente gli studi condotti riguardano nuove
famiglie di nanocompositi a base di etilene-vinilacatato, EVA, polipropilene isotattico, PP e resine epossidiche. Tali polimeri vengono additivati
con silicati lamellari o con ossidi metallici (nanosfere o whiskers) resi organofilici. Al LIMAT vengono investigate le proprietà elettriche dei nanocompositi, tramite misure di carica di spazio e
misure di corrente di carica-scarica, con l'obiettivo di identificare gli effetti della formazione insitu dei nanofiller, del loro autoassemblamento,
della modificazione organica dei silicati e dei
processi produttivi dei polimeri, comparando il
comportamento di materiali additivati e non e
considerando varie concentrazioni di filler e vari valori di campo elettrico di polarizzazione.
La morfologia dei nanocompositi può essere valutata tramite microscopia a trasmissione
elettronica (TEM), La figura mostra una microscopia TEM del nanocomposito a base di
EVA con un contenuto del 6 % in peso di organohectorite esfoliata.
Le attività di ricerca al LIMAT sui nanomateriali riguardano principalmente la valutazione
delle caratteristiche termiche ed elettriche. Vengono effettuate misure di rigidità dielettrica,
prove di vita e misure di scariche parziali, al fine di individuare gli effetti dei nanofiller sulle
performance dei materiali come isolanti elettrici. Dalle caratteristiche di soglia della carica
di spazio può essere evidenziato come l'introduzione del nanofiller riduca la quantità di carica accumulata. La presenza del nanofiller influisce anche sulla rigidità dielettrica in DC.
Va notato che laddove essa aumenta, si è osservato anche una minore dispersione statistica, indice di una maggiore omogeneità dei materiali nanoaddittivati (quindi con un minore contenuto di punti deboli, generalmente costituiti da micro cavità). Ciò può riflettersi
favorevolmente sul progetto di sistemi isolanti, dove il così detto effetto dimensionale riduce significantemente il campo di progetto in presenza di elevata dispersione statistica.
Sono in corso le stime dei tempi di vita con inversione di polarità della tensione continua,
che sono in grado di enfatizzare l'effetto dell'accumulo di carica di spazio sulle performance dell'isolante al fine di rafforzare le osservazioni sulla tensione di scarica e sulla carica di spazio per quanto riguarda le proprietà a lungo termine dei materiali sotto esame,
applicati all'isolamento in DC.
149
Argomento: MATERIALI SUPERCONDUTTORI PER IL TRASPORTO E
L’IMMAGAZZINAMENTO DELL’ENERGIA ELETTRICA
Nominativi di
riferimento: D. Fabiani, G.C. Montanari
I superconduttori hanno suscitato negli ultimi decenni un interesse sempre crescente sia
dal punto di vista scientifico che tecnologico per le possibili applicazioni in campo energetico dalla realizzazione di cavi per il trasporto di energia elettrica a bassissime perdite alla
costruzione di magneti per immagazzinare elevate quantità di energia elettrica.
La ricerca sui superconduttori al LIMAT, in
collaborazione con Pirelli Cavi e Sistemi, si
è incentrata sullo studio delle caratteristiche
elettriche e magnetiche di nastri superconduttori per la costruzione di cavi (vedi figura
a sin.), al variare di sollecitazioni elettriche,
termiche e meccaniche. I nastri superconduttori sono costituiti da una anima superconduttrice ad alta temperatura critica
(HTSC) composta di BSCCO (Ossidi di bismuto-stronzio-calcio-rame) racchiusa in un
involucro di argento (Ag) che conferisce una
resistenza meccanica al superconduttore
stesso che, essendo un composto ceramico, risulta essere molto fragile.
Jc/Jco (relative value)
Tra le proprietà elettromagnetiche dei superconduttori che sono state misurate al LIMAT si
ricordano le caratteristiche magnetiche, i cicli di isteresi, la densità di corrente critica.
Quest’ultima, che rappresenta il valore di corrente in corrispondenza del quale il materiale
1.2
passa dallo stato superconduttivo a quello
steel-Ag-BSCCO
normale, è un parametro fondamentale per
Ag-BSCCO
1.1
la valutazione delle capacità di trasporto in
corrente di un superconduttore.
1.0
Prove di invecchiamento meccaniche eseguite su provini Ag-BSCCO hanno eviden0.9
ziato un forte calo della densità di corrente
0.8
critica a seguito di flessioni, torsioni e/o allungamenti, mostrando l’inadeguatezza di
0.7
tale configurazione per le applicazioni in cavi
per il trasporto dell’energia. Per migliorare le
0.6
caratteristiche meccaniche del nastro super0
5
10
15
20
25
30
35
Number of bendings
conduttivo si è rinforzato, quindi, il sistema
Ag-BSCCO inserendolo all’interno di un sandwich composto da due lamine di acciaio
amagnetico. Le prove sperimentali (vedi figura) hanno mostrato che tale configurazione
migliora notevolmente la resistenza meccanica del superconduttore senza influenzare significativamente le caratteristiche elettriche e magnetiche dello stesso.
150
151
6. Ricerca: ING-INF/07
6.4 ING-INF/07 ♦ MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE
Il settore comprende gli ambiti di ricerca e le competenze teorico-applicative propri della
scienza e della tecnologia delle misurazioni elettriche ed elettroniche, nonché della moderna strumentazione di misura. Le metodologie proprie del settore riguardano la modellazione e la caratterizzazione metrologica di metodi, componenti e sistemi per la misurazione; l'estrazione, l'interpretazione e la rappresentazione dell'informazione di misura. Le
tematiche di ricerca includono la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione di
metodi, componenti e sistemi per la misurazione, con particolare attenzione al miglioramento delle prestazioni metrologiche ottenute. I campi di competenza riguardano sia gli
"oggetti" della ricerca scientifica, e cioè le misurazioni e gli strumenti, sia i principali ambiti
scientifico-applicativi a cui tali oggetti sono destinati. La molteplicità e la specificità degli
studi e delle applicazioni spaziano dalle misure nell'area dell'ingegneria dell'informazione a
quelle rivolte al miglioramento della qualità, al monitoraggio industriale ed ambientale, alla
caratterizzazione di materiali, componenti e sistemi.
Professori Ordinari
Domenico Mirri (*)
Mario Rinaldi
Alberto Burchiani
Gaetano Pasini
Lorenzo Peretto
Ricercatori
Paola Rinaldi (**)
Dottorandi
Elisa Pivello
Elisa Scala
Roberto Tinarelli
Collaboratori
Renato Sasdelli
Annarita Lazzari
(*) dal 1/11/2004 afferisce al D.E.I.S.
(**) dal 1/10/2002 afferisce al D.E.I.S.
1. Analisi della propagazione delle incertezze negli algoritmi di misura .................. 154
- Applicazioni ................................................................................................................... 154
- Metodi analitici............................................................................................................... 155
- Metodi numerici ............................................................................................................. 156
2. Caratterizzazione di trasduttori di corrente e tensione .......................................... 157
- Taratura di trasduttori orientata alla valutazione dell’incertezza associata a misure
basate su tecniche di DSP ............................................................................................ 157
- Trasduttori di corrente in regime non sinusoidale .......................................................... 158
- Trasduttori di tensione in regime non sinusoidale.......................................................... 159
3. Caratterizzazione e modellistica di sistemi dinamici non lineari........................... 160
- Approccio tipo “serie di Volterra” per la modellistica di sistemi dinamici non lineari ...... 160
- Modellistica di canali di acquisizione per strumentazione a campionamento e tecniche
di compensazione degli effetti non lineari statici e dinamici........................................... 161
4. Metodologie e strumentazione per l'analisi digitale dei segnali............................ 162
- Analisi degli effetti del jitter temporale nei wattmetri a campionamento......................... 162
- Analizzatore di spettro vettoriale basato su tecniche di campionamento aleatorio ........ 163
- Confronto fra diverse strategie di campionamento ........................................................ 164
152
- Generatore di impulsi completamente programmabile .................................................. 165
- Voltmetro vettoriale digitale armonico a campionamento aleatorio................................ 166
5. Misure per la valutazione della Power Qualità ........................................................ 167
- Indici per la valutazione della qualità dell'energia .......................................................... 167
- Progetto di standard temporali per la taratura della strumentazione di misura ............. 168
- Sistemi distribuiti di misura ............................................................................................ 169
- Strumentazione innovativa per la misura oggettiva del flicker luminoso ........................ 170
- Tecniche analitiche per la caratterizzazione di segnali quasiperiodici ........................... 171
6. Modelli e strumenti per l'analisi dell'affidabilità di dispositivi e sistemi e per il
controllo statistico della qualità ............................................................................... 172
- Architetture distribuite per il controllo statistico della qualità.......................................... 172
- Progettazione di esperimenti per prove di distruzione di componenti elettrici................ 173
- Strumentazione virtuale per la previsione dell'affidabilità di sistemi elettronici .............. 174
Misure Elettriche ed Elettroniche ................................................................................. 190
Il gruppo di ricerca svolge la sua attività sperimentale nel settore della misure per la qualità
dell'energia, della caratterizzazione metrologica di trasduttori di tensione e corrente, della
strumentazione digitale per l'analisi dei segnali, nella affidabilità di componenti elettronici e
strumenti di misura e, recentemente, nella sincronizzazione temporale di strumentazione e
misura di piccoli intervalli di tempo.
153
Area di Ricerca: 1. Analisi della propagazione delle incertezze negli algoritmi di
misura
Argomento: APPLICAZIONI
Nominativi di
riferimento: L. Peretto, R. Sasdelli, R. Tinarelli
Si debba ricostruire l’andamento temporale di un parametro X, definito da una certa funzione della tensione u(t) e/o della corrente i(t), in un lungo intervallo di tempo Tβ. X, ad
esempio, può essere un valore efficace, una potenza o un parametro legato alla power
quality. Il monitoraggio di X lungo Tβ può richiedere l’acquisizione e l’elaborazione di elevate quantità di dati. E’ stata sviluppata una strategia di misura basata su una tecnica sta~
tistica che permette di ottenere la stima X (t ) di X(t) elaborando una ridotta quantità di dati. Essa può essere quindi implementata in sistemi di misura gestiti da microcontrollori di tipo industriale e consente di aumentare il numero di parametri misurabili con sistemi di modeste prestazioni, in termini di memoria e capacità di calcolo, e costi. Tale strategia può
~
essere vista come un campionamento aleatorio di X(t), in quanto X (t ) è ottenuta misurando (ed elaborando in modo opportuno) valori di X(t) a partire da istanti di tempo scelti aleatoriamente secondo una opportuna legge. I risultati sperimentali confermano l’efficacia di
tale strategia. Trattandosi di una tecnica di tipo statistico, una volta confermata la correttezza delle stime prodotte, la
ricerca si è concentrata sull’analisi della varianza dello stimatore.
In questo modo è possibile valutare l’incertezza associata alla stima effettuata, incertezza il cui
quadrato è pari, per definizione,
allo varianza. A differenza delle
ricerche presentate nelle altre
due schede di quest’area, l’incertezza che si valuta non è dovuta
alla propagazione degli effetti di
sorgenti presenti nell’hardware di
misura ma bensì alla natura statistica stessa del metodo. In questo caso si parla di incertezza intrinseca. La Figura 1 riporta l’anFig. 1. Andamento della potenza assorbita (misurata
e stimata) e intervallo di copertura (k=3).
damento della potenza assorbita
(misurata e stimata) nella fascia
oraria 10 ÷ 12 da un gruppo di macchine utensili in una azienda metalmeccanica e l’intervallo statistico di copertura determinato a partire dalla espressione della varianza ottenuta.
La stima è stata ottenuta elaborando meno del 3% dei valori di potenza assunti come
riferimento. Il grafico mostra come l’intervallo definito dallo stimatore assieme al suo
intervallo di confidenza contenga il valore di riferimento. Allo scopo di verificare la correttezza dell’espressione della varianza è stato poi effettuato un test χ2 unilaterale in cui l’ipotesi nulla H0 era l’uguaglianza fra la varianza di un insieme di 100 valori di ciascun occorrenza della stimatore e il valore calcolato con l’espressione ottenuta. L’ipotesi è risultata verificata con un livello di confidenza del 95% e quindi tale espressione può essere correttamente usata per determinare l’incertezza tipo associata alle stime effettuate per mezzo della tecnica proposta.
154
misura
Argomento: METODI ANALITICI
Nominativi di
L’analisi di segnali mediante la trasformata wavelet è ampiamente diffusa in molti settori,
fra i quali le misure per la qualità dell’energia elettrica. L’impiego della trasformata wavelet
per scopi di misura comporta la necessità di conoscere come si propagano, attraverso
l’algoritmo che la implementa, gli effetti delle sorgenti di incertezza presenti nella catena di
misura. Il metodo analitico indicato dalla “Guida all’espressione dell’incertezza di misura” è
stato applicato per studiare la propagazione di tali effetti attraverso la trasformata wavelet.
Si consideri una sequenza {x[n]} di dati che rappresenta un segnale x(t) affetto da un disturbo. Una volta scelta una certa mother wavelet, l’applicazione della trasformata wavelet
diretta a tempo discreto (DTWT) fornisce una rappresentazione tempo-frequenza di x(t)
attraverso vettori di coefficienti y0, y1, …, ym,…, yL detti dettagli (Figura 1). Ciascuno di essi rappresenta x(t) in una
certa sottobanda di frequenze. Sotto certe condizioni la trasformata è
invertibile e l’applicazione
della
DTWT
inversa
(IDTWT) permette di sintetizzare il segnale originario (Figura 2). L’analisi
wavelet è spesso utilizzata per separare un disturbo dal segnale “portante”
Fig. 1. Banco di filtri per l’implementazione della DTWT.
e poi sintetizzarlo nel dominio del tempo discreto applicando
xs,m
ym
↑2
hs
gs
gs
la IDWT a uno o più vettori di detta↑2
gs
↑2
↑2
gli. Per determinare l’espressione
dell’incertezza di misura associata
m filters
alla sintesi ottenuta, occorre trovare
Fig. 2. Banco di filtri per la sintesi di xs,m.
una espressione che leghi direttamente {x[n]} a tale sintesi. Lo studio compiuto ha permesso di ottenere tale risultato, permettendo di concludere che i) il contributo dovuto all’offset si manifesta, come ovvio, solamente nella sottobanda contenente la componente continua; ii) l’effetto del c.d. errore di
guadagno si mantiene costante, in p.u., qualunque sia il campione sintetizzato; iii) il contributo della non linearità dipende dal modello scelto per essa. Si è inoltre realizzato il sistema di prova di Figura 3 allo scopo di studiare, attraverso dati reali, l’eventuale dipendenza
dell’incertezza di misura dalla mother wavelet scelta.
L’analisi, condotta attraverso il modello sviluppato, ha
portato a concludere che l’incertezza associata al riProgrammable
sultato della misura è sostanzialmente indipendente
DAQ
function
dalla mother wavelet considerata.
generator
Fig. 3. Il sistema di prova
155
misura
Argomento: METODI NUMERICI
Nominativi di
La “Guida all’espressione dell’incertezza di misura” (GUM) fornisce le regole per stimare
l’incertezza da associare al risultato di una misura anche quando questa è ottenuta in
modo indiretto, ossia elaborando attraverso un’opportuna funzione di misura grandezze
misurate direttamente. Esistodigital synthesized signal
no, però, numerosi casi in cui il
procedimento descritto è o non
applicabile, perché, ad esemPC2
PC1
pio, la funzione di misura è
non lineare o è espressa da un
12
u(t)
DAC
DAQ 12
algoritmo che contiene istruboard
board
zioni condizionali, oppure la
sua applicazione risulta difficile
DSP
bi-tone
perché è complessa la funziowaveform
ne di misura. Per ovviare a
generator
questi inconvenienti nel 2004 è
Fig. 1. Sistema di prova realizzato.
stato pubblicato un supplemento della GUM che suggerisce l’applicazione di metodi numerici (simulazioni Monte
Carlo). Tali metodi erano già precedentemente in uso nella comunità scientifica e anche il
gruppo di ricerca ha dato il suo contributo. La Figura 1 mostra jl sistema di prova realizzato per valutare l’incertezza associata a misure compiute su segnali quasi periodici (vedi la
scheda relativa). In esso un segnale quasi periodico viene sintetizzato e trasferito sia a un
sistema di generazione per poi essere acquisito ed elaborato sia direttamente al sistema
di elaborazione, per il quale costituisce quindi un segnale di riferimento. Il parametro
misurato è il valore efficace di una componente spettrale. Il metodo Monte Carlo è quindi
applicato al segnale di riferimento, tenendo conto delle sorgenti di incertezza localizzate
nella DAC e nella DAQ. Si ottiene una distribuzione dei valori del valore efficace cercato
che, come mostrato in Figura 2, contiene il valore misurato dal sistema elaborando i
campioni provenienti dalla catena di generazione-acquisizione e quindi “alterati” dagli effetti delle sorgenti di incertezza. Questo mostra che il metodo può essere utilizzato per stimare correttamente l’intervallo di confidenza da associare al risultato di una misura.
Occorre notare che, nelle
situazioni pratiche, non si
hanno a disposizione campioni di riferimento. Il metodo Monte Carlo si applica
in tal caso ai campioni acquisiti. Così come avviene per il metodo tradizionale, eventuali bias non
potranno essere osservati.
Fig. 2. Esempio di risultati.
156
Area di Ricerca: 2. Caratterizzazione di trasduttori di corrente e tensione
Argomento: TARATURA DI TRASDUTTORI ORIENTATA ALLA VALUTAZIONE
DELL’INCERTEZZA ASSOCIATA A MISURE BASATE SU TECNICHE
DI DSP
Nominativi di
riferimento: L. Peretto, R. Sasdelli, E. Scala, R. Tinarelli
Gli strumenti di misura basati su tecniche di DSP sono essenzialmente costituiti da tre
blocchi: condizionamento analogico; acquisizione e conversione A/D (DAQ); elaborazione.
La valutazione di tipo B dell’incertezza sulle misure effettuate con tali strumenti è problematica in quanto le specifiche di accuratezza del blocco DAQ sono riferite al generico
campione, mentre i componenti del blocco di condizionamento analogico sono caratterizzati con parametri calcolati a partire da sequenze di campioni.
Il metodo proposto è basato sul confronto tra valori del segnale acquisiti simultaneamente
all’ingresso e all’uscita del dispositivo in prova. Tale procedura, riferendosi al singolo campione, permette di determinare la curva di taratura del blocco sia in DC che in AC. I principali requisiti per l’applicazione del metodo sono:
simultaneità delle acquisizioni dei segnali a monte e a valle del trasduttore in prova,
eseguite tramite sistemi di acquisizione e conversione A/D con elevata accuratezza;
periodicità del segnale AC. Permette di calcolare due sequenze di lunghezza Ns/NP
ottenute mediando ciascuno degli Ns campioni dei segnali, sia in ingresso sia in
uscita, su NP periodi, al fine di ridurre gli effetti dei disturbi aleatori;
una sorgente del segnale per le prove che assicuri prestazioni ad elevata stabilità.
Siano uin e uout le sequenze relative ai seCaratteristica
gnali di ingresso e di uscita, riferite al
y
ideale
primario del trasduttore. Esse costituiscono
rispettivamente dominio x e codominio y
uout
della curva di taratura, che tiene conto di
[Ns/NP]
tutti gli effetti delle sorgenti di incertezza
presenti nel dispositivo in prova. Il conBSL passante per
l’origine
fronto della curva di taratura (Figura 1) con
la retta di migliore adattamento (BSL), calcolata secondo il metodo dei minimi quax
uin [Ns/NP]
drati, e con la caratteristica di trasduzione
ideale fornisce opportuni indici di taratura,
Fig. 1. Curva di taratura, retta di migliore
adattamento ai campioni e retta ideale.
Trigger Signal
che possono venire utilizzati nella valutazione
dell’incertezza. Il metodo proposto è stato implementato con il banco di taratura di Figura 2,
U-U
uout
HA DAQ out
HA DAQ in
uin
V
in cui vengono utilizzati campionatori a 16 bit di
elevata accuratezza (HA DAQin e HA DAQout), un calibratore di tensione (V) e un
IEEE 488
IEEE 488
trigger esterno per garantire la contemporaneità delle misure. Sono stati caratterizzati diversi trasduttori di tensione, sia in DC che in
AC (fino a 3 kHz, in regime sinusoidale). Si è
Fig. 2. Schema a blocchi del banco di taratura
inoltre provveduto a caratterizzare il banco di
taratura medesimo, al fine di determinare
l’incertezza con la quale vengono stimati gli indici di taratura medesimi. L’evoluzione del
progetto prevede l’estensione del metodo a regimi non sinusoidali.
157
Argomento: TRASDUTTORI DI CORRENTE IN REGIME NON SINUSOIDALE
Nominativi di
La scelta dei trasduttori dei segnali di ingresso è un aspetto cruciale nel progetto della
strumentazione usata per misure su sistemi elettrici di potenza operanti in regime non sinusoidale. Per essa, infatti, il blocco di condizionamento costituisce spesso la principale
sorgente di incertezza. Le norme che si occupano di trasduttori di tensione e corrente
considerano come indici di accuratezza i classici errori di rapporto e d’angolo, che sono
definiti in regime sinusoidale. Ad eccezione della norma IEC 60688, che tratta la distorsione della forma d’onda in ingresso come una grandezza di influenza, anche i più recenti
documenti normativi, come la norma IEC 60044-7, trascurano gli effetti della distorsione
sull’accuratezza dei trasduttori. Per mettere in conto gli effetti delle non linearità (p. es. la
saturazione) nei trasformatori di corrente (TA) destinati ad alimentare relè di protezione, la
norma IEC 60044-1 fornisce la definizione di errore composto ec. Tale definizione è stata
generalizzata ed implementata in un sistema automatico di misura, schematizzato in Fig.
1. La taratura del trasduttore in prova viene
effettuata tramite l’acquisizione e successiva elaborazione delle due tensioni in uscita U ed Us .
La prima costituisce l’uscita dell’amplificatore operazionale, ed è frutto
dell’elaborazione analoFig. 1. Sistema automatico per la taratura di trasduttori di corrente.
gica dell’uscita del trasduttore in prova e di quella di un trasduttore di riferimento. La seconda è una tensione
costituita dalla uscita del trasduttore di riferimento medesimo. Nel corso delle prove effettuate quest’ultimo trasduttore era costituito da uno shunt antiinduttivo. La corrente di prova
è stata generata utilizzando un amplificatore di potenza pilotato da un generatore di funzione opportunamente programmato. La Fig. 2 riporta il blocco di elaborazione analogica
del sistema automatico realizzato. Ad esso
vanno collegati quindi il trasduttore in prova,
quello di riferimento e il sistema di acquisizione
ed elaborazione, implementato, nelle prove realizzate, su un personal computer. I risultati di
prove sperimentali su trasduttori commerciali
hanno mostrato che, nel caso di grandezze primarie distorte, l’errore composto può assumere
valori molto maggiori di quelli ottenuti con grandezze sinusoidali, anche quando l’errore di rapporto nei due casi è circa uguale. Tale indice è
pertanto in grado di fornire informazioni più significative sul comportamento dei trasduttori in
Fig. 2. Blocco di elaborazione analogica
regime non sinusoidale.
del sistema di Fig. 1.
158
Argomento: TRASDUTTORI DI TENSIONE IN REGIME NON SINUSOIDALE
Nominativi di
La scelta dei trasduttori dei segnali di ingresso è un aspetto cruciale nel progetto della
strumentazione usata per misure su sistemi elettrici di potenza operanti in regime non sinusoidale. Per essa, infatti, il blocco di condizionamento costituisce spesso la principale
sorgente di incertezza. Le norme che si occupano di trasduttori di tensione e corrente
considerano come indici di accuratezza i classici errori di rapporto e d’angolo, che sono
definiti in regime sinusoidale. Ad eccezione della norma IEC 60688, che tratta la distorsione della forma d’onda in ingresso come una grandezza di influenza, anche i più recenti
documenti normativi, come la norma IEC 60044-7, trascurano gli effetti della distorsione
sull’accuratezza dei trasduttori. Per mettere in conto gli effetti delle non linearità (p. es. la
saturazione) nei trasformatori di corrente (TA) destinati ad alimentare relè di protezione, la
norma IEC 60044-1 fornisce la definizione di errore composto ec. Tale definizione è stata
generalizzata ed implementata in un sistema automatico per la taratura di trasduttori di
tensione, il cui schema a blocchi è indicato in Fig. 1.
Esso è costituito da un generatore di
tensione programmabile, controllato da
G
calcolatore, dal trasduttore in prova
(TUT), dal trasduttore di riferimento
q
(RT), da un blocco di elaborazione anain
logica (sommatore e circuiti di condizioRT
TUT
namento K1 e K2) e infine da un sistema
uout
di acquisizione, conversione ed elaborauref
zione (DAQ board e calcolatore). Il traK1
Ko
sduttore di riferimento è stato realizzato
mediante un partitore resistivo e un buf+
−
fer. I resistori utilizzati hanno una tolleranza del 0.01% e un coefficiente di
u
DAQ
temperatura pari a 5 ppm/°C. Poiché il
Board
buffer è realizzato con un amplificatore
operazionale a bassissima distorsione e
Fig. 1. Schema a blocchi del sistema di misura.
larghissima banda (80 MHz), l’uscita uref
del di tale trasduttore può essere assunta come riferimento. Il dispositivo realizzato è stato accuratamente studiato al fine di valutare tutte le possibili sorgenti di incertezza. Occorre notare che le più significative di queste
sono di tipo “sistematico” e quindi sono state corrette dal software di elaborazione nei dati.
Ne consegue che l’incertezza residua da associare ai risultati della misura, cioè errori di
rapporto, d’angolo e composto, è estremamente bassa e ha permesso di utilizzare il sistema automatico realizzato per tarare trasduttori di prestazioni nominali di accuratezza particolarmente elevate. I risultati di prove sperimentali su trasduttori commerciali hanno mostrato che, nel caso di grandezze primarie distorte, l’errore composto può assumere valori
molto maggiori di quelli ottenuti con grandezze sinusoidali, anche quando l’errore di rapporto nei due casi è circa uguale. Tale indice è pertanto in grado di fornire informazioni più
significative sul comportamento dei trasduttori in regime non sinusoidale.
159
Area di Ricerca: 3. Caratterizzazione e modellistica di sistemi dinamici non lineari
Argomento: APPROCCIO TIPO “SERIE DI VOLTERRA” PER LA MODELLISTICA
DI SISTEMI DINAMICI NON LINEARI
Nominativi di
riferimento: D. Mirri, G. Pasini
La serie di Volterra è uno strumento ben noto per la descrizione generale della relazione
funzionale ingresso/uscita di un sistema non lineare dinamico tempo-invariante. La sua
applicazione pratica, tuttavia, è assai limitata dalla difficoltà di caratterizzarne sperimentalmente i diversi contributi integrali. E’ stato pertanto sviluppato un approccio alternativo,
basato su di una modificazione della serie tradizionale, la cui formulazione analitica, pur
mantenendo il medesimo grado di generalità dello sviluppo classico, presenta proprietà di
convergenza piuttosto differenti. In particolare, in presenza di precise ipotesi riguardanti la
durata del tempo di memoria del sistema, ovvero qualora tale intervallo risulti di breve
estensione se paragonato al periodo tipico dei segnali in ingresso, risulta possibile descrivere con accuratezza il comportamento dinamico non lineare del sistema attraverso lo
sviluppo integrale della serie “modificata” arrestato al solo termine di primo ordine. Grazie
alla particolare formulazione dei termini di convoluzione multipla e dei nuclei modificati (i
quali risultano controllati non linearmente dal valore istantaneo del/dei segnale/i in ingresso al sistema) in presenza del requisito fondamentale sulla durata del tempo di memoria i contributi di ordine zero e di primo ordine dello sviluppo proposto sono infatti sufficienti, da soli, per il raggiungimento di ottimi livelli di accuratezza nella predizione della dinamica del sistema, con un errore residuo trascurabile anche in presenza di forti non linearità. Naturalmente nulla vieta di prendere in
considerazione contributi di ordine superiore,
ma la possibilità di limitare al primo ordine la
caratterizzazione sperimentale dei nuclei
modificati costituisce un notevole vantaggio
sul metodo tradizionale, il quale, come noto,
necessita della misura dei nuclei fino ad un
ordine elevato già a partire da livelli di non
linearità associati al sistema moderatamente bassi. Nella pratica, i metodi di modellistica
basati sullo sviluppo convenzionale di Volterra sono stati applicati con successo solo in
presenza di deboli non linearità nel comportamento del sistema. Al contrario, la metodologia proposta è in grado di caratterizzare il sistema indipendentemente dal suo grado di
non linearità, che può essere anche molto spinta, purché siano verificate le assunzioni sulla durata del tempo di memoria. Tale vincolo, peraltro, risulta ampiamente verificato per
una vasta famiglia di applicazioni, dalla descrizione del singolo dispositivo elettronico attivo fino a quella di un sistema complesso come un canale di acquisizione dati in formato digitale per strumentazione a campionamento, se la procedura di caratterizzazione vera e
propria, basata sull’approccio proposto, viene applicata a valle di una appropriata “separazione” dei blocchi funzionali che descrivono il sistema e che sono associati a fenomeni di
memoria di “lunga” durata (ma tipicamente lineari e quindi descrivibili attraverso metodi
convenzionali poco complessi), da quelli più propriamente non lineari, le cui caratteristiche
dinamiche sono quelle tipiche dei dispositivi a semiconduttore intrinseci, e quindi associate
a costanti di tempo molto piccole. L’attività di ricerca è stata in questo senso integrata dallo studio di opportune topologie di base fra le quali individuare, nota l’applicazione, la migliore descrizione del sistema sotto indagine in termini di elementi lineari dinamici “lenti” ed
elementi non lineari associati a brevi tempi di memoria (si veda l’esempio in figura).
160
Area di Ricerca: 3. Caratterizzazione e modellistica di sistemi dinamici non lineari
Argomento: MODELLISTICA DI CANALI DI ACQUISIZIONE PER STRUMENTAZIONE A CAMPIONAMENTO E TECNICHE DI COMPENSAZIONE
DEGLI EFFETTI NON LINEARI STATICI E DINAMICI
Nominativi di
La metodologia basata sulla formulazione tipo “serie di Volterra” modificata è stata applicata al caso di un canale di acquisizione dati in formato digitale. Una volta isolati, attraverso l’introduzione di un opportuno blocco lineare, gli effetti dinamici ad elevate costanti
di tempo (tipicamente dovuti alla sezione di ingresso – amplificatori/attenuatori, filtri – per il
condizionamento del segnale e al processo di sample/hold), il sistema può essere descritto come un canale ideale, che acquisisce e converte in formato numerico non il segnale di ingresso effettivo, ma la risposta a quest’ultimo fornita da un opportuno blocco dinamico non lineare (Fig. 1). Questo ha lo scopo di introdurre nel modello la caratterizzazione di tutte le non linearità presenti nel canale, non solo quindi quelle associate alla risposta statica del sistema, ma anche quelle
non lineari dinamiche, che assumono importanza al crescere della banda del segnale in ingresso e delle frequenze di campionamento. Le ipotesi di breve memoria
relative alla dinamica del blocco non lineare,
giustificate dalla depurazione dagli effetti a
costanti di tempo elevate a cui si è accennato, permettono la descrizione di quest’ultiFig. 1. Schema funzionale DTCM
mo attraverso lo sviluppo integrale modificadel canale di acquisizione digitale.
to arrestato al nucleo del primo ordine, con
benefici in termini di affidabilità e accuratezza rispetto all’approccio classico di Volterra.
La formulazione operativa del modello (Discrete-Time Convolution Model, DTCM) è stata
applicata a diversi sistemi commerciali. La caratterizzazione sperimentale dei parametri di
modello è stata possibile grazie alla realizzazione di
banchi automatici di misura. In particolare, la stima
dei coefficienti che appaiono nella rappresentazione
polinomiale scelta per il nucleo modificato (reso discreto nel dominio del tempo) porta ad una descrizione accurata della quota non lineare puramente
dinamica della risposta del canale. Questa, che risulta non adeguatamente descrivibile attraverso un
modello convenzionale di tipo statico, è invece caratterizzabile attraverso l’approccio DTCM, grazie
alla sua formulazione generale di tipo intrinsecamente non lineare dinamico. Il modello DTCM è stato implementato nel contesto di diversi ambienti di calcolo
Fig. 2. Esempio di compensazione
-1
numerico. Questi sono stati sfruttati per validare al(DTCM) all’uscita del canale.
goritmi di compensazione delle non linearità di canaTono sinusoidale (90 kHz) in ingresso.
le basati sull’inversione numerica delle leggi DTCM, i
quali permettono di ricostruire lo spettro del segnale in ingresso a partire dalle sequenze di
campioni acquisite all’uscita del canale digitale, sequenze che in generale sono perturbate
dall’insieme di non idealità presenti nel canale stesso.
161
Area di Ricerca: 4. Metodologie e strumentazione per l'analisi digitale dei segnali
Argomento: ANALISI DEGLI EFFETTI DEL JITTER TEMPORALE NEI
WATTMETRI A CAMPIONAMENTO
Nominativi di
Il jitter temporale introduce variazioni casuali sugli istanti in cui i due canali di acquisizione
dello strumento campionano i segnali applicati al loro ingresso. Si possono distinguere due
tipi di sorgenti di jitter: una comune ad entrambi i canali di acquisizione ed una invece
distinta per ognuno dei due. Nello studio teorico si fa l'ipotesi che in entrambi i casi i jitter
siano incorrelati tra loro e rispetto ai due segnali in ingresso. Per studiare teoricamente
l'effetto del jitter sono state sommate ad ogni istante del campionamento, supposto ad intervalli regolari, due quantità aleatorie, una comune ad entrambi i canali ed una diversa
per quello di tensione e quello di corrente, con distribuzione continua in un intervallo prefissato e valor medio nullo. Si è supposto inoltre che le due quantità aleatorie associate al
jitter diverso abbiano la stessa funzione caratteristica. La potenza attiva viene ottenuta
come media pesata di un certo numero N di campioni successivi della potenza istantanea.
Per effetto del jitter la grandezza in uscita dallo strumento risulta variabile anche se il
campionamento ad intervalli regolari è di tipo sincrono. Per valutare le prestazioni del
wattmetro, indipendentemente dai parametri a priori non noti che ne influenzano l'uscita, si
associa a ciascuno di essi una variabile aleatoria con distribuzione di probabilità fissata a
priori in base alle informazioni disponibili. In tal modo l'incertezza della misura può essere
valutata mediante l'errore quadratico medio asintotico dell'uscita riferito alla potenza media. Dall'analisi teorica si deduce che il jitter diverso introduce un bias che è legato alla
comune funzione caratteristica delle due variabili aleatorie che definiscono questo tipo di
jitter. Per ridurre l'entità del bias è necessario limitare la banda utile dello strumento. Tale
bias è invece assente quando si considera unicamente il jitter comune. Entrambe le sorgenti di jitter (comune e diverso) aumentano invece la varianza dei risultati delle misure e
pongono quindi un ulteriore limite alla banda dello strumento. I risultati teorici sono stati
confrontati con quelli ricavati con la simulazione numerica e con quelli sperimentali ottenuti
con un prototipo appositamente realizzato. Nella figura è riportato lo schema a blocchi del
prototipo. Come si può notare, sono stati introdotti due diversi blocchi per la generazione
dei jitter: uno comune ai due
v(t)
segnali ed uno diverso per
S/H - ADC
ciascuno di essi. Agli impulsi
di campionamento ad interJITTER
valli regolari e sincroni con il
TENSIONE
segnale di tensione in inGENERATORE
JITTER
gresso vengono sommati
ISTANTI DI
DSP
COMUNE
CAMPIONAMENTO
prima il jitter comune e sucJITTER
cessivamente quello distinto
CORRENTE
per ciascun canale. I segnali
così ottenuti vengono inviati
i(t)
S/H - ADC
ai due sistemi di acquisizione i cui dati in uscita vengono trasmessi ad un sistema basato su un DSP per la loro elaborazione. Il DSP provvede
anche alla generazione di tre diverse sequenze di numeri casuali che vengono inviati ai tre
generatori di jitter che generano, in base alla sequenza ricevuta, un ritardo distribuito
aleatoriamente in un intervallo di tempo di ampiezza prefissata. I risultati della simulazione
e quelli sperimentali sono in buon accordo con quelli ottenuti per via teorica.
162
Argomento: ANALIZZATORE DI SPETTRO VETTORIALE BASATO SU
TECNICHE DI CAMPIONAMENTO ALEATORIO
Nominativi di
Lo schema a blocchi dello
ADC A
S/H A
strumento realizzato per te- x(t )
stare l’algoritmo di misura è
CONTROL
rappresentato in figura. Esso
LOGIC ADC
è costituito da 3 parti fisicaADC B
S/H B
mente distinte: una scheda di
acquisizione comprendente i
circuiti di condizionamento
SAMPLING TIME
del segnale, i S/H ed i conGENERATOR B
vertitori A/D di entrambi i caDSP
nali; una scheda di generaBOARD
zione degli istanti di campioSAMPLING TIME
namento aleatori; una scheda
GENERATOR A
DSP che comanda il generatore degli istanti di campionamento ed elabora i dati acquisiti dalla scheda A/D.
La strategia di campionamento scelta ha il vantaggio di limitare a due il numero di istanti la
cui distanza temporale può tendere a zero, mentre l’intervallo di tempo tra il primo e
l’ultimo di un gruppo di tre campioni consecutivi non può essere inferiore a Ts. Per la realizzazione del sistema di acquisizione sono pertanto sufficienti due S/H e due convertitori
A/D che operano alternativamente; il solo vincolo da rispettare è che la somma del tempo
di acquisizione del sample and hold (S/H) e del tempo di conversione del convertitore
analogico digitale (ADC) deve essere inferiore a Ts.
Il segnale in ingresso x(t) dopo essere stato opportunamente condizionato è campionato
dal S/H (Analog Devices AD9101). Questo dispositivo è caratterizzato da un’elevata velocità e le sue caratteristiche lo rendono adatto ad essere utilizzato come driver ideale per
convertitori a 12 bit con banda fino a 50 MHz (frequenza di campionamento: 125 MSPS;
banda passante: 160 MHz; slew rate: 1300 V/μs; hold mode distortion: -57 dB a 125
MSPS e frequenza del segnale in ingresso di 50 MHz; tempo di acquisizione allo 0.1%: 7
ns; feedthrough rejection: 66 dB a 50 MHz; densità spettrale di rumore: 3.3 nVHz-1/2; guadagno nominale pari a 4; droop rate: 18 mV/μs). La fase di hold è attivata da un fronte di
salita del segnale di clock aleatorio (di tipo ECL). Il segnale così campionato è inviato all’ADC (Analog Devices AD7892-3). Questo dispositivo è un ADC caratterizzato da:
throughput rate di 600 kSPS, input range di ±2.5 V, Signal to (Noise + Distortion) Ratio di
70 dB, relative accuracy di ±1.5 LSB, tempo di conversione di 1.47 μs e tempo di acquisizione del S/H interno pari a 0.2 μs. Al fine di limitare gli effetti dell’elevato droop rate del
S/H (pari a 26,46 mV durante il tempo di conversione dell’AD) il convertitore scelto è dotato di S/H interno. La logica di controllo è stata implementata sfruttando un dispositivo logico programmabile (CPLD) che ha permesso di semplificare la fase di debugging dello
strumento. Al fine di minimizzare l’effetto del rumore tutto l’hardware proposto è stato implementato su una circuito stampato realizzato con la tecnologia a 4 strati.
Le prestazioni rilevate dalle misure effettuate sullo strumento hanno confermato quanto
dimostrato in via teorica: la banda passante è risultata pari a quella del chip S/H, con
un’accuratezza nella valutazione del contenuto armonico di un segnale migliore del 5%.
163
Argomento: CONFRONTO FRA DIVERSE STRATEGIE DI CAMPIONAMENTO
Nominativi di
La tecnica di campionamento classica e, in generale, la più diffusa tra gli strumenti di misura digitali, consiste nel campionare il segnale in corrispondenza di istanti di tempo
equispaziati:
ti = iTc
Ogni istante di campionamento dista dal successivo di una quantità costante Tc. Il valore
di Tc è normalmente imposto dal più grande tra il tempo di acquisizione e quello di elaborazione dei dati. La banda utile dello strumento è limitata dalla frequenza di campionamento che non può essere inferiore al doppio della banda del segnale che si intende misurare. Per realizzare un sistema a larga banda è necessario, quindi, mantenere elevata la
frequenza di campionamento, questo fatto implica l’utilizzo di convertitori A/D veloci. Il
tempo di conversione del convertitore limita la massima frequenza di campionamento a
meno di non usare soluzioni di tipo vettoriale in cui sono presenti più convertitori connessi
in parallelo. Per superare queste limitazioni si può ricorrere ad una strategia di campionamento di tipo aleatorio asincrono in cui gli istanti di campionamento non sono equispaziati
ma distribuiti in maniera aleatoria lungo l’asse dei tempi. Sono state prese in esame due
possibili strategie di campionamento aleatorio: ricorsiva e non ricorsiva. Nel campionamento aleatorio non ricorsivo gli istanti di campionamento sono definiti dall’espressione:
ti = (i+Xi)Tc
Ogni istante di campionamento ti
è dato dalla somma di una componente periodica iTc e di una aleatoria XiTc. Dove Xi è l’ i-esimo
valore di una successione di variabili aleatorie indipendenti con
distribuzione uniforme nell’inter-vallo [0,1]. In tale ipotesi, gli istanti di campionamento sono distribuiti in successivi intervalli tutti uguali a Tc. La sequenza di istanti di campionamento può essere intesa come un processo stocastico dove Tc è il periodo di campionamento medio.
Dall’equazione precedente si deduce che due istanti successivi di campionamento possono essere indefinitamente vicini. Il sistema di acquisizione deve quindi prevedere due
canali di acquisizione (costituito da S/H e relativo A/D) in parallelo.
La strategia di campionamento aleatorio di tipo ricorsivo prevede che ogni istante di campionamento ti venga ottenuto aggiungendo al precedente valore ti-1 un ritardo prefissato Tc
più un incremento aleatorio XiiTc definibile come segue:
ti = ti-1+Tc(1+Xi)
dove Xi è l’ i-esimo valore di una successione di variabili aleatorie indipendenti con distribuzione uniforme nell’intervallo [0,b]. Poiché la minima distanza tra due campioni successivi non
può essere inferiore a Tc, il sistema di
acquisizione viene realizzato con un solo S/H e un solo convertitore A/D.
Le strategie di campionamento aleatorio descritte sono state applicate con successo nella
realizzazione di alcuni strumenti di misura digitali.
164
Argomento: GENERATORE DI IMPULSI COMPLETAMENTE PROGRAMMABILE
Nominativi di
CLOCK
Scopo di questa ricerca è la realizzazione di un generatore sequenze
SINGLE CHANNEL
di impulsi la cui distribuzione temEND_OF_COUNTING
DOWN
porale sia completamente proD
Q
grammabile. Il principio di funzioCOUNTER
Flip-flop PULSE
namento del generatore si basa su
RST Q
due dispositivi: un downcounter a
32 bit con frequenza di clock di 150 DATA
CONTROL
MHz (che può essere reimpostato FROM
LOGIC
DAC
ad uno stato iniziale programmabi- DSP
le) ed un generatore a sintesi digiLOW PASS
tale diretta (DDS) che viene utilizMEMORY
FILTER
zato per generare un segnale sinusoidale alla frequenza di 100 MHz
la cui fase è programmabile. L’impulso viene generato dalla combinazione di 2 eventi:
quando il downcounter arriva allo stato “0” abilita il funzionamento del circuito di zero crossing che riceve in ingresso il segnale sinusoidale generato dal DDS.
Il DDS è costituito fondamentalmente da una memoria che contiene i campioni del segnale
da generare e da un convertitore D/A. Il segnale da generare è di tipo sinusoidale (con frequenza f0), quindi il numero di campioni per periodo necessari per definirlo in ampiezza e
fase teoricamente può scendere fino a 2, ma nel caso in esame, al fine di semplificare il filtro che segue il convertitore D/A, ne vengono utilizzati 4. In questo modo la frequenza della prima componente da eliminare è a 3 f0: da qui si esegue il dimensionamento del filtro
che deve attenuare questa armonica almeno di 60 dB per garantire un rapporto S/N adeguato alla risoluzione del convertitore D/A del DDS (12 bit). Per l’applicazione in oggetto
sarà molto importante valutare la risposta di questo filtro al gradino di fase: con l’ausilio di
alcune simulazioni si sceglie un filtro ellittico del 7° ordine bilanciato con ingresso in corrente. Lo zero crossino detector è stato implementato mediante un flip-flop in tecnologia
LVPECL (in questo modo il bitter dell’uscita è limitato a 1 ps). Le informazioni relative alla
sequenza temporale da generare (valori numerici da inviare al downcounter e valori della
fase del segnale sinusoidale) vengono memorizzate all’interno della memoria inserita a
bordo del generatore. Tutta la logica necessaria al funzionamento delle diverse parti del
circuito (downcounter, DDS, memoria, interfacciamento con il dispositivo programmatore
esterno) è stata inserita all’interno di un chip CPLD: la riprogrammabilità di questo dispositivo ha semplificato notevolmente la fase di debugging del progetto. La semplicità della taratura è un’altra delle caratteristiche del generatore proposto consiste nella determinazione della fase fra il segnale di clock del downcounter ed il segnale sinusoidale.
Dal valore della frequenza dei segnali utilizzati (clock del downcounter e segnale sinusoide
a fase variabile), dalla risoluzione del registro di fase del DDS, dal numero di bit del downcounter e dal tempo di risposta al gradino di fase del filtro si possono determinare le
prestazioni teoriche del generatore: la durata dell’intervallo di tempo fra due impulsi adiacenti può andare da 200 ns ad oltre 20 s, con una risoluzione di 0.6 ps. Le misure effettuate per caratterizzare il generatore hanno mostrato che, causa il jitter del generatore di
clock ed il rumore sovrapposto ai segnali, la deviazione standard sulla durata degli impulsi
generati è circa 10 ps rms.
165
Argomento: VOLTMETRO VETTORIALE DIGITALE ARMONICO A
CAMPIONAMENTO ALEATORIO
Nominativi di
Il voltmetro vettoriale è uno strumento che consente la misura dell’ampiezza e della fase di
singole componenti spettrali di un segnale. In particolare, le componenti spettrali che
vengono misurate sono quelle la cui frequenza è un multiplo intero di quella di un segnale
di riferimento. Nella realizzazione proposta lo strumento basa il suo funzionamento su una
tecnica di campionamento aleatoACQUISITION
rio che consente di aumentare il
s( t )
CHANNEL 1
tempo medio di campionamento
dei segnali in ingresso senza ridurre la banda passante dello
ACQUISITION
strumento stesso. Nella figura è
DSP
CHANNEL 2
rappresentato lo schema a blocchi
dello strumento: il segnale di cui si r( t )
vuole valutare il contenuto spettraACQUISITION
le è indicato con s(t), mentre il seCHANNEL 3
gnale di riferimento è indicato da
r(t). Poiché la particolare strategia
di campionamento adottata prevede che due istanti di campionaSAMPLING
mento adiacenti possono distare
TIME
un tempo tendente a 0, mentre il
GENERATOR
terzo dista un tempo pari ad almeno il tempo medio di campionamento, ciascun canale di acquisizione deve essere sdoppiato, quindi i canali di ingresso dello strumento sono 6. Il generatore degli istanti di campionamento provvederà alla generazione di 6 diversi segnali secondo la strategia implementata, mentre il DSP ha il compito di comandare il generatore, di acquisire i campioni
convertiti in forma digitale dai 6 canali di acquisizione e di elaborarli per ottenere i risultai
delle misure.
Al fine di verificare sperimentalmente le prestazioni dello strumento proposto si è provveduto a realizzarne di un prototipo: ciascuna scheda di acquisizione comprende un dispositivo di campionamento (S/H) con banda passante di circa 1 MHz e di un convertitore A/D a
12 bit con tempo di conversione pari a 20 μs. Il periodo medio di campionamento è di 100
μs (frequenza media 10 kHz). La scheda DSP che gestisce lo strumento è installata
all’interno di un personal computer ed è basata sul DSP TMS320C53X (32 bit floating
point).
Dopo aver effettuato la calibrazione dello strumento per confronto con un multimetro applicando in ingresso una tensione continua di ampiezza variabile, sono state effettuate misure su diversi segnali, al fine di verificare le prestazioni dello strumento sia in termini di
modulo che di fase. In particolare si è effettuata la misura di un segnale sinusoidale con
frequenza variabile da 4 a 1024 kHz e con fase 0, 90 e 120 gradi rispetto al segnale di riferimento ottenendo un’incertezza relativa sulla misura del modulo inferiore al 2.2% del valore misurato, mentre sulla misura della fase l’incertezza assoluta è inferiore a 3 gradi. Da
questo risultato si deduce che la risposta in frequenza dello strumento è limitata solo dalla
banda passante del dispositivo S/H e non da quella del convertitore A/D, confermando
quanto dimostrato in via teorica.
166
Area di Ricerca: 5. Misure per la valutazione della Power Quality
Argomento: INDICI PER LA VALUTAZIONE DELLA QUALITÀ DELL'ENERGIA
Nominativi di
riferimento: L. Peretto, R. Sasdelli, E. Scala, R. Tinarelli
I problemi di power quality sono ampiamente presenti nelle reti elettriche e le misure
orientate a stabilire l’origine di questi disturbi hanno grande interesse in un mercato competitivo. Recentemente in questo campo sono state proposte diverse tecniche di analisi,
basate su approcci differenti e pensate in particolare per individuare le sorgenti
dell’inquinamento armonico. Comunemente si ritiene che non sia possibile attribuire le responsabilità per l’inquinamento armonico mediante metodologie basate su dati misurati in
un singolo punto della rete. Tali tecniche, sebbene forniscano importanti indicazioni circa
le principali responsabilità sulla distorsione armonica, mostrano alcuni limiti quando applicate a reti reali, dove diversi carichi non lineari e/o sbilanciati sono connessi alle linee. I
metodi multi-punto, che per essere implementati richiedono un sistema di misura distribuito, sono invece ritenuti più affidabili. Recentemente sono state proposte diverse metodologie distribuite di misura applicate alla power quality delle quali
Z1
1
è necessario valutare l’affidabilità
Load 1
pratica. Infatti le decisioni basate
ZS
PCC
su queste tecniche, se usate a
Z2
2
scopi contrattuali, possono avere
Load 2
importanti implicazioni legali ed
Z3
3
economiche. A tale scopo, presso
Load 3
il laboratorio di misure elettriche, è
stato realizzata una rete elettrica
trifase (Figura 1) opportunamente
studiata: essa è costituita da una
sorgente di potenza finita, da un
Fig. 1. Rete trifase di prova.
carico lineare e due carichi non lineari. Le stazioni di misura, progettate e realizzate secondo lo schema di Figura 2 sono
state posizionate nei punti 1, 2, 3 e PCC di Figura 1, in modo da poter testare sia indici
basati su misure in singoli punti che su misure in più punti delle rete. Le prove effettuate
hanno evidenziato che i metodi di misura basati su tecniche multi-punto
sono i più interessanti strumenti proposti per attribuire la responsabilità
del deterioramento della qualità
dell’energia. I risultati hanno mostrato
che essi forniscono informazioni utili
sulle sorgenti di disturbi armonici in
reti complesse. Tuttavia, lo studio del
loro comportamento ha messo in evidenza che sono necessari alcuni miglioramenti per ovviare ad alcuni inconvenienti che si manifestano in alcune situazioni.
Fig. 2. Sistema di misura locale posizionato
nei nodi 1, 2, 3 e PCC di Fig. 1.
167
Argomento: PROGETTO DI STANDARD TEMPORALI PER LA TARATURA
DELLA STRUMENTAZIONE DI MISURA
Nominativi di
riferimento: L. Peretto, R. Tinarelli
Nella moderna strumentazione i sistemi di misura distribuiti sono ampiamente impiegati.
Le loro applicazioni spaziano in vari settori e possono essere realizzati con tecnologie
diverse. In ogni caso, qualunque implementazione di sistema distribuito è essenzialmente
basata sull’impiego di certo numero di strumenti che, localizzati in differenti posizioni
geografiche, eseguono lo stesso tipo di misure. Ci sono molti settori in cui queste misure
devono essere svolte contemporaneamente. E’ quindi necessario un riferimento temporale
comune. A tale scopo, sono generalmente seguiti due diversi approcci. Il primo è basato
sull’utilizzo del Network Time Protocol (NTP): il clock di ciascuna stazione di misura è
sincronizzato per mezzo di un opportuno software freeware, operante in Internet, con lo
Universal Time Coordinator. Una simile soluzione è stato recentemente standardizzata
dall’ IEEE con il nome di PTP, Precision Time Protocol. Questo tipo di soluzione è
senz’altro economico ma fornisce una accuratezza limitata, nell’ordine di circa 1 s.
Pertanto, essa può essere utilizzata solamente in quei campi in cui non è richiesta una
sincronizzazione spinta. La seconda soluzione richiede la disponibilità di un ricevitore GPS
per ciascuna stazione di misura. E’ una soluzione ovviamente più costosa ma permette di
ottenere incertezza dell’ordine di qualche nanosecondo. Se il riferimento temporale fornito
dal ricevitore GPS è impiegato per sincronizzare l’orologio dell’unità, l’incertezza sale di
parecchi ordini di grandezza, raggiungendo circa 10-2 s, principalmente per effetto del sistema operativo. Ne consegue che per ottenere accuratezza elevate, il segnale di periodo
1 s fornito dal ricevitore GPS deve essere utilizzato direttamente come riferimento temporale. L’utilizzo del GPS presenta due svantaggi principali: a) il costo di ciascun ricevitore; anche se i prezzi sono in diminuzione, è necessario un ricevitore per ciascuna stazione e la
GPS signal
quantità di denaro richiesto può
essere una percentuale signifiuin
uout
cativa del costo totale; b) ci soGPS
PLL-based
no alcuni luoghi dove il segnale
Receiver
unit
S
GPS può non essere perfettamente ricevuto per la presenza
di edifici alti, alberi, montagne.
Fig. 1. Schema a blocchi del dispositivo.
Il gruppo di ricerca ha quindi progettato e realizzato un dispositivo che permettesse di superare questi inconvenienti. Tale dispositivo si aggancia al riferimento temporale fornito
dal ricevitore GPS e lo riproduce in uscita anche dopo che il ricevitore è stato scollegato.
In questo modo, il dispositivo può essere utilizzato o al posto del ricevitore GPS, in ciascuna stazione di misura, o anche come campione viaggiante per sincronizzare altri sistemi. La Figura 1 mostra lo schema di principio del dispositivo. L’idea di base è di connettere al ricevitore una opportuna unità. Tale unità a due scopi: fornire in uscita un segnale uout
agganciato a quello di ingresso; b) mantenere, per un certo intervallo di tempo, agganciati i
due segnali anche quando l’interruttore S viene aperto. Il sistema realizzato è del tipo cosiddetto “misto”, ossia combina tecniche sia analogiche che digitali. In particolare, la sezione
digitale è basata su elementi a 24 bit e su un oscillatore termostato a 10 MHZ, che permette
di ottenere buone prestazioni in termini di accuratezza e stabilità.
168
Argomento: SISTEMI DISTRIBUITI DI MISURA
Nominativi di
L’architettura della strumentazione di misura dedicata ai più vari impieghi ha subito negli
ultimi tempi notevoli modifiche: l’hardware di misurazione è costituito da un sistema di acquisizione dati, mentre il software permette la realizzazione di complesse funzioni di misura. La disponibilità a costi decrescenti di dispositivi di acquisizione immediatamente interfacciabili a personal computer (PC), di pacchetti software che consentono, anche a chi
non possiede competenze metrologiche ed informatiche specifiche, di sviluppare in tempi
contenuti funzioni di misura assai complesse e, infine, la semplicità ed economicità con cui
i PC possono connettersi a reti di comunicazione su scala geografica, hanno reso possibile
la implementazione di sistemi di misura ad architettura distribuita. Tali sistemi, descritti schematicamente in Fig. 1, sono molto spesso ad
architettura master-slave; le unità locali (slave)
acquisiscono i segnali delle grandezze da monitorare, eseguono misure ed inviano le informazioni ad un’unità centrale (master) che controlla l’intero sistema interrogando i server ad
intervalli di tempo prestabiliti. Le unità slave
possono essere collegate al master attraverso
Fig. 1. Esempio di sistema distribuito
una rete locale o la rete internet.
di misura con architettura master slave.
La ricerca compiuta negli ultimi anni si è concentrata nel progetto, realizzazione e sviluppo
di sistemi di misura distribuiti orientati alla soluzione di specifici problemi. In tale ambito si
sono avute collaborazioni con il Politecnico di
Milano e l’Università di Cagliari. Inizialmente ci si
è concentrati su sistemi orientati alla misura dell’inquinamento armonico e alla valutazione delle
relative responsabilità. Tale sistema, realizzato
dapprima a Milano, è stato migliorato nei nostri
laboratori mediante l’introduzione di nuovi trasduttori e di dispositivi di sincronismo basati sul
GPS. In seguito, e la ricerca è tuttora in corso, si
è studiato e realizzato un sistema distribuito orientato alla individuazione delle sorgenti di disturbi transitori nelle reti di media tensione. Il sistema utilizza un opportuno sistema di rilevazione degli eventi, progettato e realizzato dal gruppo di ricerca, ricevitori GPS per la sincronizzazione e GPRS per il collegamento alla rete internet. Il sistema, di cui Fig. 2 mostra la foto di una
delle unità slave, è attualmente impiegato, grazie alla collaborazione dell’Università di Cagliari,
sulla rete di media tensione del Parco Scientifico
Fig. 2. Unità slave di un sistema distribuito
e Tecnologico “Polaris” di Pula (CA).
dedicato alla misura di transitori di tensione.
169
Argomento: STRUMENTAZIONE INNOVATIVA PER LA MISURA OGGETTIVA
DEL FLICKER LUMINOSO
Nominativi di
riferimento: L. Peretto, E. Pivello, R. Tinarelli
Il flicker, ossia “l’impressione di instabilità della percezione visiva indotta da uno stimolo
luminoso la cui luminanza o la cui distribuzione spettrale fluttuano nel tempo”, è causato
dalla fluttuazione della tensione di alimentazione della sorgente luminosa. La misura di
tale effetto avviene, secondo la norma internazionale, in modo indiretto, ossia elaborando
opportunamente il segnale rappresentante tale tensione sulla base di un modello riferito a
una lampada ad incandescenza da 230 V, 50 Hz, 60 W. Come noto vi è una assenza di
correlazione fra l’informazione fornita da questo tipo di strumento e ciò che un essere
umano percepisce nel caso di sorgente luminosa di tipo diverso. E’ altresì largamente
condivisa l’idea che solo attraverso una misura di flicker basata sull’analisi della radiazione
luminosa possa fornire informazioni attendibili. Per fare questo è però necessario avere a
disposizione un modello della risposta del sistema occhio-cervello alle variazioni di luminanza. Il modello proposto si basa sull’analisi del meccanismo del riflesso pupillare, ossia
della reazione del sistema ocλref
chio-cervello, in termini di dil
λin
x
Nervo ottico
Cervello
latazione o contrazione dell’iride, ad uno stimolo luminoso.
Esso è stato derivato avvalenArea pupilla: A
dosi di un modello fisiologico
Muscoli iride
3° nervo
presente in letteratura e denominato pupillary light reflex. La
Fig. 1. Rappresentazione schematica del meccanismo
Fig. 1 riassume sinteticamente
del riflesso pupillare.
tale modello. I simboli λin e λref
indicano, rispettivamente, la luminanza incidente e quella ambientale, l indica l’intensità luminosa ed A indica l’area della pupilla. Il modello sviluppato è stato testato sperimentalmente sulla base dei dati acquisiti con il sistema di Figura 2. La ricerca, condotta in
collaborazione con il Prof.
Lamp
Diffuser
Glasses
Emanuel del WPI di WorceStandard
Flickermeter
Preamplified Photodiode
ster (USA), il Prof. Rovati e
l’Ing. Salvatori dell’Università
di Modena, ha preso in esame
DAQ
Inner
Power
l’effetto di tre diverse lampaPC
Black-Painted
Source
Box
de: a incandescenza, alogena
Spectrometer
e fluorescente compatta. Come noto, infatti, tali lampade
presentano spettri di emissioOptical Haed
ne assai diversi fra di loro. La
Fig. 2. Sistema di misura.
ricerca ha innanzitutto mostrato che il modello proposto può essere considerato una ragionevole approssimazione del
comportamento del sistema complesso occhio-cervello quando è sottoposto a stimoli luminosi modulati nel tempo. In secondo luogo, esso ha permesso di studiare come il diverso
spettro prodotto da lampade diverse e la diversa sensibilità dell’occhio umano ai colori si
combinino per far si che, a parità di luce emessa, il sistema occhio cervello risponda diversamente al flicker.
170
Argomento: TECNICHE ANALITICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE DI
SEGNALI QUASIPERIODICI
Nominativi di
Il funzionamento di sistemi elettrici di potenza in cui sono presenti generatori con frequenze asincrone rispetto a quella di rete dà origine a segnali non periodici a spettro discreto caratterizzato da righe a frequenze non commensurabili. Questi segnali multitono
sono anche detti quasi periodici. La Fig. 1 mostra un segnale di questo tipo, caratterizzato
da due toni a frequenze f1 = 50 Hz, f2 = 100√2 Hz. In regime periodico, la misura di grandezze, come la potenza attiva o il valore
efficace, usate per caratterizzare lo stato di un sistema elettrico di potenza richiede la conoscenza del periodo dei
segnali. Misurare le stesse grandezze in
presenza di segnali del tipo come quelli
descritti comporta l’uso di intervalli di integrazione tendenti all’infinito. Per superare questa difficoltà è stato proposto
l’uso di un approccio, che analizza i segnali quasi periodici in un dominio temporale virtuale multidimensionale sfruttando la natura periodica di ciascun generatore. La Fig. 2 mostra la rappresentazione del segnale di Fig. 1 nel dominio
Fig. 1. Tipico segnale quasi periodico bitonale
virtuale. L’utilizzo di questo dominio of(f1 = 50 Hz, f2 = 100√2 Hz).
fre strumenti che risultano più convenienti dal punto di vista operativo per effettuare misure
su segnali multitono. In particolare, il segnale risulta
periodico in ciascuna coorx(τ1, τ2)
dinata virtuale e quindi molto più facile da studiare. La
tecnica proposta è stato imτ2
plementato in forma digitale
t
e ne sono stati studiati numerosi aspetti, come la correttezza nella stima delle
componenti spettrali, la propagazione degli effetti delle
sorgenti di incertezza, l’ottimizzazione della finestra di
τ1
osservazione del segnale. Il
Fig. 2. Rappresentazione nel dominio virtuale bidimensionale
metodo è stato poi utilizzato
del segnale quasi periodico di Fig. 1.
sul campo per effettuare misure di grandezze elettriche,
quali potenze e valori efficaci, ai morsetti di dispositivi che originano tensioni e correnti
quasiperiodiche.
171
Area di Ricerca: 6. Modelli e strumenti per l'analisi dell'affidabilità di dispositivi e
sistemi e per il controllo statistico della qualità
Argomento: ARCHITETTURE DISTRIBUITE PER IL CONTROLLO STATISTICO
DELLA QUALITÀ
Nominativi di
riferimento: M. Rinaldi, L. Peretto, P. RInaldi
Il controllo statistico della qualità della produzione di componenti nelle industrie richiede un
costante monitoraggio di parametri caratteristici degli oggetti della produzione nonché una
loro analisi sovente in tempo reale.
Si sta diffondendo ampiamente l’idea e l’esigenza di operare monitoraggi delle caratteristiche dei manufatti in più punti della catena di produzione allo scopo di ridurre più proficuamente la variabilità di tali caratteristiche e quindi di aumentare la qualità del prodotto finale
e della produzione.
Si è realizzato un sistema ad architettura distribuita wireless formato da trasduttori che acquisiscono e trasmettono le informazioni di misura in remoto e da una o più unità di raccolta dati per la elaborazione, in tempo reale, dei principali strumenti utilizzati in questo
ambito come le carte di controllo per attributi e per variabili, i diagrammi causa-effetto, i
grafici di Pareto, i grafici rami-foglie, ecc.
Nelle due figure sono rappresentati due
dei pannelli frontali dello strumento virtuale realizzato relativi ai grafici rami-foglie
e ai diagrammi causa-effetto che sono
aggiornati via via che i dati giungono dai
sensori posizionati nei vari punti di interesse.
I sistemi di ricezione sono in grado di
scambiare informazioni tra di loro e con i
trasduttori. In questo modo si possono istruire i trasduttori su quale grandezza
monitorare e con frequenza di campionamento; si possono creare delle zone di
monitoraggio indipendenti in diverse zone
della catena di produzione con possibilità
poi di correlare i risultati per la determinazione del diagramma causa-effetto. Il sistema di
trasmissione utilizzato è costituito da
trasmettitori e ricevitori AUREL FM a
344,2 MHz in tecnologia SMD e possono raggiungere, in campo aperto, anche distanze dell’ordine di 300 m. Questo sistema è stato testato con successo in un sistema di produzione di utensili da cucina. In tale applicazione i trasduttori rilevavano difetti nella verniciatura e nella connessione del manico a
delle pentole antiaderenti. Dopo l’analisi
dei dati si sono identificate le cause e
dunque le parti delle macchine produttrici responsabili dei difetti stessi.
172
Argomento: PROGETTAZIONE DI ESPERIMENTI PER PROVE DI DISTRUZIONE
DI COMPONENTI ELETTRICI
Nominativi di
riferimento: M. Rinaldi, L. Peretto, P. Rinaldi
Le prove di distruzione risultano molto importanti in tutte le applicazioni in cui vanno assolutamente o obbligatoriamente verificati gli effetti critici di guasti in dispositivi o apparati,
cioè guasti che possono generalmente influire sulla salute umana o essere particolarmente deleteri per la o le apparecchiature coinvolte dal
guasto. Un esempio è costituito dai guasti nei condensatori impiegati in apparecchiature domestiche e alimentati alla tensione di rete. E’ noto che, in base alla
normativa vigente tra cui la Norma EN 60252-1 e la
Norma giapponese JIS C 4908, essi devono essere
sottoposti a prove di distruzione per verificare se gli effetti di un loro guasto (rappresentato nella peggiore delle
ipotesi dallo scoppio dovuto a corto circuito fra le armature) siano o meno catalogabili come catastrofici. Un ulFig. 1. Esempio di metallizzazione
timo tipo di condensatori di polipropilene metallizzato ad
a rombi.
armature segmentate è stato costruito dalla ditta Steiner
tedesca per non avere guasti critici in presenza di cortocircuito. Con riferimento allo schema riportato in Fig. 1, la metallizzazione è fatta con forme a rombi o a mosaico connesse tra di loro da sottili tratti conduttori (detti segmenti). In
tal modo, in presenza di cortocircuito, tali connessioni si comportano da fusibili interrompendosi, isolando la parte interessata dal cortocircuito ma al contempo riducendo il valore
complessivo di capacità. E’ stato progettata e realizzata una attività di test condotta presso
il Laboratorio del GMEE di Bologna in collaborazione con le aziende Italfarad, Ducati, Icar,
Arcotronics ed i laboratori di prova IMQ di Milano. Il banco prove era conforme alla normativa giapponese sopra accennata per
effettuare le previste prove di distruzione. Il
condensatore in prova, alimentato ad un
valore di 1.2 volte la propria tensione nominale, periodicamente è stato messo in parallelo con un condensatore precedentemente caricato in corrente continua ad una
tensione 7 volte superiore a quella nominale e di capacità pari al doppio di quella di
quest’ultimo. Si sono eseguiti cicli di scarica del condensatore caricato in corrente
continua sul condensatore in prova. Le
prove dovevano essere interrotte allorquando la capacità di quest’utimo non si
fosse ridotta al 10% di quella nominale. Le
Fig. 2. Il condensatore in prova, durante i test
prove eseguite in laboratorio hanno invece
ha subito un guasto catastrofico.
evidenziato che anche questo tipo di metallizzazione non garantisce l’assenza di guasti catastrofici (si veda la Fig. 2 in cui è visibile
la parte residuale di un condensatore con guasto catastrofico).
173
Argomento: STRUMENTAZIONE VIRTUALE PER LA PREVISIONE
DELL'AFFIDABILITÀ DI SISTEMI ELETTRONICI
Nominativi di
riferimento: M. Rinaldi, L. Peretto, P. RInaldi
Nonostante esistono importanti e famosi software per l’analisi affidabilistica di componenti
e sistemi elettronici, esistono diverse circostanze in cui disporre di codici di calcolo
dell’affidabilità dedicati a particolari applicazioni consente un notevole risparmio di tempo,
minori investimenti, possibilità di esportare i modelli implementati ad applicazioni simili.
E’ stato realizzato in particolare per conto di una ditta produttrice di sensori di livello ad infrarosso uno strumento virtuale in ambiente LabView, denominato ‘FailSim’ per l’analisi
della previsione della affidabilità di un sensore ad infrarosso. Il parametro affidabilistico
calcolato è il tempo al primo guasto dato che non si è ritenuto riparabile il sistema a causa
delle sue ridotte dimensioni e all’incapsulamento del circuito realizzato in una resina protettiva. E’ stato inoltre valutato l’equivalente tasso di guasto.
Il programma è stato realizzato avvalendosi delle librerie e della metodologia suggerita dal
MIL-HDBK- 217F-N2 ed implementa la tecnica denominata Parts Stress Analysis in accordo con la Norma CEI 56-29.
Conosciuti i part number dei singoli componenti utilizzati nel sensore e le relative modalità
di costruzione e/o packaging sono stati inseriti nel programma i modelli matematici che
forniscono il valore del tasso di guasto di ciascuno di questi in funzione di molteplici parametri come le caratteristiche tecnologiche, il valore della sollecitazione applicata, ed il tipo,
le condizioni ambientali in cui il componente opera, la tipologia costruttiva, il tipo di sollecitazione, il tipo di applicazione, se lineare o non lineare, la data di produzione e/o data di
messa in servizio, ecc. I valori di tutti questi parametri possono essere inserivi dall’utente
per ciascuno dei componenti usati.
Inoltre il programma richiede che sia inserita la temperatura nominale di funzionamento
dell’intero sistema e le condizioni ambientali in cui il sistema andrà ad operare, ossia se si
tratta di una istallazione protetta dalle intemperie, di un uso portatile, di una istallazione su
veicolo terrestre, aereo o marino. Nella figura è riportato il pannello frontale dello strumento virtuale realizzato in cui sono visibili i diversi tag, ciascuno corrispondente ad un tipo di componente
che si prevede di
inserire per il calcolo.
L’utente, potendo
variare i parametri
di funzionamento
dei singoli componenti può, in fase
progettuale, verificare la variazione
sia del loro tasso
di guasto che di
quello del sistema
per diverse condizioni di funzionamento.
174
7. Laboratori
7. LABORATORI
I Laboratori di ricerca costituiscono una fondamentale risorsa per professori e ricercatori
che afferiscono al DIE, nonchè per studenti, laureandi e dottorandi che svolgono attività di
studio e/o ricerca nei settori dell'ingegneria elettrica. Gli otto laboratori attualmente attivi
consentono di sviluppare una attività sempre all'avanguardia, caratterizzata anche da
prove e verifiche sperimentali.
Nelle pagine seguenti viene data una descrizione di massima di ogni Laboratorio, con l’indicazione dei gruppi di lavoro e delle principali attività.
INDICE DEI LABORATORI DI RICERCA
7.1 COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA.................................................LACEM – 176
7.2 DIAGNOSTICA DI MACCHINE ELETTRICHE ........................................ LabDME – 178
7.3 INGEGNERIA DEI MATERIALI ED ALTE TENSIONI.................................. LIMAT –180
7.4 INGEGNERIA DEI SISTEMI ELETTRICI DI POTENZA ..............................LISEP – 182
7.5 INGEGNERIA MAGNETOFLUIDODINAMICA E PLASMI .............................LIMP – 184
7.6 INGEGNERIA MAGNETOFLUIDODINAMICA &
SUPERCONDUTTIVITÀ APPLICATA.......................................................LIM&SA – 186
7.7 MACCHINE ED AZIONAMENTI ELETTRICI .............................................LEMAD – 188
7.8 MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE ..................................... GMEE Lab – 190
175
7. Laboratori
7.1 LACEM
LABORATORIO DI COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
Gruppo di lavoro: A. Dolente, G.L. Giuliattini Burbui,
G. Grandi, U. Reggiani, L. Sandrolini
Dipartimento di Ingegneria Elettrica,
Dislocazione:
Viale Risorgimento 2, I-40136 Bologna
Tel. 051 - 2093484, Fax. 051 - 2093588
Contatto:
[email protected]
E-mail:
http://emc.ing.unibo.it
Sito web:
Presentazione
Il Laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica (LACEM), già in funzione dopo la costituzione del Dipartimento di Ingegneria Elettrica, ha potuto disporre di un spazio autonomo
solo alla fine del 2001, a seguito dell'assegnazione al Dipartimento di una nuova area.
Il LACEM nasce con finalità di ricerca, didattica e prove e servizi per soggetti esterni.
Nel LACEM vengono ora svolte attività di ricerca scientifica e industriale nell'ambito
della Compatibilità Elettromagnetica, attività
didattica nello stesso settore per i Corsi di
Studio in Ingegneria Elettrica e in Ingegneria
dell’Automazione, e anche attività di prove e
servizi per soggetti esterni. Il laboratorio
LACEM è equipaggiato con la strumentazione di base per le misure di emissione ed
immunità condotta e irradiata. Dispone inoltre di una cella GTEM di 2 m di lunghezza, e di un’antenna a triplo loop per la misura a
norma di campi magnetici irradiati a bassa frequenza.
Attività di ricerca
Le principali tematiche di ricerca, svolte sotto la guida del Prof. U. Reggiani, riguardano:
•
metodi e tecniche di schermatura elettromagnetica
(U. Reggiani, L. Sandrolini)
•
disturbi condotti dovuti a convertitori statici
(G. Grandi, U. Reggiani)
•
disturbi irradiati da convertitori statici
(A. Dolente, G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini)
•
modellistica e metodi per il calcolo delle emissioni
irradiate da cavi e circuiti stampati
(G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini)
•
•
previsione di accoppiamenti elettromagnetici in
ambiente risonante (U. Reggiani, L. Sandrolini)
studio, progettazione e realizzazione di ambienti di
misura compatti per prove EMC
(G.L. Giuliattini Burbui, U. Reggiani, L. Sandrolini).
176
7. Laboratori
L’attività di ricerca viene condotta anche con validazioni mediante prove sperimentali e simulazioni numeriche. Il LACEM è fornito di codici di calcolo per l’analisi a bassa ed alta
frequenza. Principali progetti di ricerca correnti o recenti del LACEM:
•
•
•
2005 PRRIITT “Studio delle correlazioni fra misure di compatibilità elettromagnetica
effettuate in differenti ambienti di prova” (partecipanti: U. Reggiani, L. Sandrolini, G.
L. Giuliattini Burbui), progetto nell’ambito del Programma Regionale per la Ricerca
Industriale, Innovazione e il Trasferimento Tecnologico
2004 PRIN “Problematiche di compatibilità elettromagnetica e integrità di segnale
nella progettazione di sistemi ad alte prestazioni” (partecipanti: U. Reggiani, L.
Sandrolini, G. L. Giuliattini Burbui, A. Dolente), progetto di ricerca finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR)
2003 progetto di ricerca per l'acquisto di attrezzature scientifiche “Studio di metodi e
procedure per la misura in conformità di emissioni e suscettività radiate a bassa
frequenza” (partecipanti: U. Reggiani, L. Sandrolini, G. L. Giuliattini Burbui), finanziato dall'Ateneo di Bologna.
Attività didattica
Nel laboratorio LACEM vengono svolte attività sperimentali e al calcolatore nell'ambito di
esercitazioni a corsi ufficiali, di tirocinii e tesi. In particolare, vengono svolte le esercitazioni
relative ai corsi:
•
•
•
Compatibilità Elettromagnetica e Laboratorio L (Corso di Studio in Ingegneria Elettrica, Laurea Triennale,
docente: L. Sandrolini)
Compatibilità Elettromagnetica LS
(Corso di Studio in Ingegneria
dell’Automazione, Laurea Specialistica, docente: L. Sandrolini)
Elettromagnetismo Applicato LS
(Corso di Studio in Ingegneria Elettrica, Laurea Specialistica, docente: U.
Reggiani).
Studenti della Laurea Triennale e Specialistica hanno così l’opportunità di svolgere attività
relative alla prova finale o alla tesi su argomenti di interesse scientifico e/o industriale.
Attività di prove e servizi per soggetti esterni
L'attività del LACEM si inserisce nell’ambito della Direttiva dell'Unione Europea EMC
89/336/CEE e della nuova Direttiva 2004/108/CE offrendo i seguenti servizi:
• Prove in pre-conformità di emissioni condotte e irradiate
• Prove in pre-conformità di immunità condotta e irradiata
• Simulazioni numeriche con codici di calcolo a bassa ed alta frequenza.
177
LabDME
7. Laboratori
7.2 LabDME
LABORATORIO DI DIAGNOSTICA DI MACCHINE ELETTRICHE
Gruppo di lavoro:
Dislocazione:
Contatto:
E-mail:
Sito web:
F. Filippetti, D. Casadei, C. Rossi, A. Stefani,
A. Yazidi, L. Zarri, M. Artioli
Tel. +390512093577, Fax. 0512093588
[email protected]
http://www.die.unibo.it
Presentazione
Il laboratorio attualmente si occupa del monitoraggio e diagnostica di motori ad induzione
di piccola e media potenza, sia operanti autonomamente sia alimentati da inverter. La
scelta è guidata dal fatto che il motore
ad induzione è uno degli attuatori più
utilizzati, e che quindi la previsione e
la diagnosi di guasto di motori o azionamenti, è argomento di interesse
crescente in campo industriale. La
diagnosi, possibilmente preventiva, di
un guasto, un tempo in uso solo per
macchine di elevata potenza, è attualmente richiesta anche per applicazioni di potenza dell'ordine del kW. Si richiede, infatti che le usuali protezioni
possano essere sostituite da dispositivi più sofisticati, in grado di realizzare
una protezione ed una diagnosi globale, per avere migliori prestazioni,
risparmio energetico e continuità di servizio. La figura a lato presenta un motore di piccola
potenza in fase di analisi diagnostica. L'attività si svolge in stretta collaborazione con il Dipartimento di Inegneria Elettrica dell'Università di Amiens e nell'ambito di un Network di laboratori Europei (Open European Laboratory on Electrical Machines OELEM) che operano
attivamente nel settore della diagnostica.
Le principali tematiche di ricerca coordinate dal Prof. Fiorenzo Filippetti riguardano:
•
•
•
•
•
Modellistica e metodi di analisi per macchine in condizioni di guasto (F. Filippetti, A.
Stefani, A. Yazidi)
Metodologie diagnostiche basate sulla Signature Analysis (SA) nel dominio della
frequenza e del tempo (D. Casadei, F. Filippetti, A. Stefani, A. Yazidi, M. Artioli)
Applicazione di tecniche avanzate di IA alla diagnostica (F. Filippetti, A. Stefani, A.
Yazidi)
Tecniche di Distance Monitoring (DM) e strumentazione virtuale per al diagnostica
(F. Filippetti, A. Yazidi, L. Zarri)
Diagnostica di sistemi eolici equipaggiati con generatrici asincrone a rotore avvolto
e doppia alimentazione (D. Casadei, F. Filippetti, A. Stefani, A. Yazidi, C. Rossi)
178
7. Laboratori
La ricerca si avvale, oltre che della usuale attrezzatura del laboratorio LEMAD, anche di
un ambiente di lavoro, hardware/software basato su LabView, specificatamente studiato
per la diagnostica. L’ambiente è stato realizzato, nell’ambito del circuito OELEM, in stretta
collaborazione col Dipartimento di ingegneria elettrica di Amiens e consente analisi diagnostiche sia locali che remote (anche in modalità wireless). Molto varie e complete sono
le tecniche diagnostiche implementate con efficienti possibilità di trattamento e visualizzazione dei risultati. Le figure di seguito riportate mostrano il quadro di gestione del sistema
ed un front panel della funzione di acquisizione del software durante una sessione diagnostica.
L’attività di ricerca svolta nel laboratorio è condotta in collaborazione, oltre che con altre
università italiane e straniere (Un. di: Parma, Napoli, Amiens, Lione, Oviedo, Cracovia,
Aberdeen), anche con Aziende, ed enti di ricerca (Enel, CESI, Alstom). Fra i numerosi
progetti in cui è o è stato coinvolto il laboratorio si citano i due più importanti, il primo nazionale recentemente concluso ed il secondo europeo (capofila Alstom Transport) appena
iniziato:
•
•
2002 PRIN ADES "Diagnostica avanzata di sistemi elettromeccanici" coordinatore
nazionale Prof. Fiorenzo Filippetti
2006 Progetto Europeo PREMAID “PREdictive MAIntenance and Diagnostics of
railway power trains” coordinatore nazionale Prof. Fiorenzo Filippetti
Altre attività
Nel laboratorio LabDME sono previste su richiesta prove per soggetti esterni. Inoltre vengono svolte attività sperimentali nell’ambito dei corsi ufficiali per esercitazioni, tirocinii e tesi di laurea. I corsi coinvolti sono i seguenti:
•
•
•
•
Costruzioni elettromeccaniche
Modellistica dei sistemi elettromeccanici
Azionamenti elettrici
Macchine elettriche.
179
7. Laboratori
7.3 LIMAT
LABORATORIO DI INGEGNERIA DEI MATERIALI
ED ALTE TENSIONI
Gruppo di lavoro: A. Cavallini, S. Chandrasekar , A. Ciani,
S. Delpino, D. Fabiani, G. Mazzanti,
G.C. Montanari, G. Passarelli
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Dislocazione:
Viale Risorgimento 2 , I-40136 Bologna
Tel. 051-209 3489/3474 Fax. 051-2093470
Contatto:
[email protected]
E-mail:
http://www.limat.ing.unibo.it
Sito web:
Presentazione
Il Laboratorio di Ingegneria dei Materiali ed Alte
Tensioni (LIMAT) da oltre 20 anni svolge attività di
ricerca nel campo della caratterizzazione di materiali
impiegati nell’ingegneria elettrica e nel settore della
diagnostica delle apparecchiature, componenti e sistemi
elettrici. In tali settori è ad oggi uno dei più importanti
centri di ricerca a livello internazionale.
Il LIMAT, inoltre, svolge una intensa attività didattica
consistente in esercitazioni, tesi di laurea sperimentali e
tirocinio formativo relativamente ai corsi di studio in
Ingegneria Elettrica ed Energetica nei moduli didattici
tenuti dai docenti del gruppo di ricerca.
Le apparecchiature presenti nel laboratorio permettono
prove di alta tensione con qualunque tipo di forma
d’onda, da DC ad AC alta frequenza, con forme d’onda
sinusoidali, impulsive o distorte. Il LIMAT possiede
sistemi per misurare cariche di spazio, scariche parziali,
permettività, perdite dielettriche, conducibilità, rigidità dielettrica, in diverse condizioni di
umidità e temperatura.
Le principali attività di ricerca svolte sotto la guida del Prof. Gian Carlo Montanari,
responsabile del LIMAT, riguardano principalmente:
• Caratterizzazione elettrica, studio dell’invecchiamento e
modellistica di vita di materiali isolanti polimerici per
componenti di sistemi elettrici (per es., cavi di energia)
per mezzo di prove elettriche, termiche meccaniche a
breve e lungo termine. Le originali metodologie
impiegate insieme ai nuovi sistemi di prova sviluppati,
(per es., misure di carica di spazio), permettono
l’ottimizzazione delle prove fornendo il massimo dei
risultati in tempi di prova ridotti.
• Controllo di qualità e diagnostica sui principali componenti dei sistemi elettrici
(trasformatori, generatori, motori elettrici, cavi e accessory, ecc.) per mezzo di misure di
scariche parziali che utilizzano tecniche di intelligenza artificiale per la valutazione dello
stato dell’isolamento (in collaborazione con lo spin-off universitario TechImp Spa).
180
7. Laboratori
• Caratterizzazione di nuovi materiali isolanti, semiconduttivi e magnetici nanostrutturati
che permettono di incrementare le proprietà elettriche, magnetiche, termiche e
meccaniche dei componenti dei sistemi elettrici.
• Studio delle proprietà di nuovi polimeri cellulari ferroelettrici ad elevato coefficiente
piezoelettrico per applicazioni in sensori e trasduttori, per mezzo di misure di correnti di
conduzione, carica di spazio e misure di scariche parziali.
• Diagnostica di motori ad induzione controllati da convertitori di potenza per mezzo di
misure di scariche parziali. La ricerca include lo sviluppo di un sensore UHF per
scariche parziali, di un sistema di filtraggio del rumore di commutazione e di una
metodologia per l’identificazione delle scariche parziali in misure on-line e off-line.
• Caratterizzazione delle proprietà elettromagnetiche e meccaniche di superconduttori ad
alta temperatura critica (HTSC) utilizzati per la realizzazione di cavi per il trasporto
dell’energia
Il LIMAT collabora con centri di ricerca e università internazionali in vari progetti di ricerca.
Progetti Europei:
1. HVDC “Potential benefits of HVDC links in
the European power electrical system and
improved DC insulation requirements”
2. DURASMART “DURAble cellular polymer
films with giant electromechanical response
for SMART transducer applications”
3. ARTEMIS “Ageing and Reliability TEsting
and Monitoring of power cables: diagnosis
for Insulation Systems”
Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale:
1. PRIN ’02, “Gestione del rischio e della qualità nel mercato dell’energia elettrica”;
2. PRIN ’03, “Materiali Isolanti Innovativi a Struttura Nanometrica Applicazioni nel Settore
Elettrico ed Elettronico (MISTRAL)”;
3. PRIN ’04, “Tecniche di Intelligenza Artificiale per la Valutazione della Disponibilità dei
Componenti di Sistemi Elettrici nel Contesto del Mercato Europeo dell’Energia”;
4. FISR, “Studio dei meccanismi di degradazione in materiali isolanti polimerici”.
Progetti finanziati da aziende pubbliche e private: PIRELLI, BOREALIS, CESI, ecc.
Attività didattica
Al LIMAT si svolgono attività sperimentali per gli studenti dei corsi di studio in Ingegneria
Elettrica ed Energetica consistenti in esercitazioni di laboratorio, attività di tirocinio e tesi di
laurea di maggiore impegno sotto la guida dei docenti dei seguenti moduli:
• Affidabilità e Statistica dei Sistemi Elettrici L
• Componenti e Tecnologie Elettriche L
• Qualità dell'Energia Elettrica L
• Manutenzione e Diagnostica dei Sistemi Elettrici LS
• Modellistica ed Ingegneria dei Materiali Elettrici LS
• Tecnologie Elettriche Innovative LS
• Tecnica delle Alte Tensioni LS
Altre attività
Nel 1999 alcuni ricercatori del LIMAT hanno fondato TECHIMP Spa, spin-off dell' Università di Bologna, che realizza strumenti e servizi per la diagnostica dei sistemi isolanti elettrici, sviluppa tecnologie innovative per la caratterizzazione dei materiali elettrici e fornisce
servizi relativi al mercato dell'energia elettrica.
181
LISEP
7. Laboratori
7.4 LISEP
LABORATORIO DI INGEGNERIA
DEI SISTEMI ELETTRICI DI POTENZA
Gruppo di lavoro: A. Borghetti, M. Bosetti, M. Di Silvestro,
S. Guerrieri, F. Napolitano, C.A. Nucci,
M. Paolone, G. Pattini, D. Zanobetti
Dislocazione:
Tel. 051 - 2093479, Fax. 051 - 2093470
Contatto:
carloalberto,[email protected]
E-mail:
http://www.lisep.ing.unibo.it/
Sito web:
Presentazione
Il laboratorio svolge attività di ricerca e di supporto alla didattica universitaria nei diversi
settori della produzione, trasporto, distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica.
L'attività scientifica, guidata dal prof. C.A. Nucci, è coordinata con quella svolta presso le
altre università italiane nell'ambito del Gruppo Universitario Sistemi Elettrici per l'Energia
(GUSEE), e si avvale di numerose collaborazioni nazionali ed internazionali, tra cui quelle
con il Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano (CESI), il Politecnico Federale di
Losanna (EPFL) e l’Università della Florida.
L’attività scientifica è anche collegata con quella di alcuni gruppi di lavoro della CIGRE (in
particolare lo Study Committee C4 ‘System Technical Performance’ e dell’IEEE PES (in
particolare i Working Group ‘Distributed generation’ e ‘Lightning performance of
distribution lines’), nonché con quella dell'IEEE PES Italian joint Charter, di cui C.A. Nucci
è presidente.
Il finanziamento proviene sia dall'Università, sia dal MIUR, sia da contratti e convenzioni
con Enti di ricerca Italiani e stranieri,
Fulminazione artificiale
nonché da contratti con imprese che
su linea di distribuzione.
operano nell’industria elettrica.
Camp Blanding, Florida.
Il software di cui è dotato il laboratorio
è costituito da codici di calcolo professionali quali EMTP96 e ATP per la
simulazione dei transitori elettromagnetici, Lego e Legocad originariamente sviluppati presso il Centro ricerche di automatica dell'ENEL, DigSilent per la simulazione di transitori
elettromeccanici ad elettromagnetici e LISEP in collaborazione Università della Florida e Politecnico di Losanna.
per l'analisi armonica e affidabilità,
SimPowerSystems per il calcolo dei
transitori nei sistemi elettrici di potenza in ambiente Simulink-Matlab, AMPL, Cplex e
Minos per l’ottimizzazione. Viene anche sviluppato nel laboratorio il software LIOV per il
calcolo di sovratensioni indotte da fulminazioni indirette su sistemi di distribuzione nel
quadro di una collaborazione con il laboratorio di reti elettriche dell’EPFL; LIOV-EMTP e
Mat-LIOV che estendono le capacità di simulazione di LIOV mediante interfacciamento
rispettivamente con EMTP e con SimPowerSystems in ambiente Simulnik-Matlab; e
modelli LEGO per simulatori ingegneristici dei principali componenti dei sistemi elettrici di
centrali termoelettriche. Il laboratorio è inoltre dotato di strumentazione per il rilievo di transitori elettromagnetici in sistemi elettrici di potenza e di dispositivi di controllo in tempo reale per la gestione di sistemi di generazione distribuita.
182
7. Laboratori
1. SETTORE PRODUZIONE
− Dinamica degli ausiliari di centrali termoelettriche e costruzione di modelli per simulatori di addestramento
degli operatori di centrale (in collaborazione con ENEL);
− Dinamica delle centrali termoelettriche, ripotenziate con
gruppi turbo-gas, durante la manovra di avvio autonomo
in seguito a 'black-out' (in collaborazione con: CESI,
Gestore della rete della Repubblica Ceca);
− Dinamica e gestione di impianti per la produzione distribuita dell'energia elettrica (in collaborazione con: CESI,
DIEM-Università di Bologna, Università di Genova-DIE e
di Padova-DIE).
2. SETTORE TRASMISSIONE E SISTEMI
− Simulazione del comportamento dinamico delle reti elettriche d’energia e studio della
stabilità della tensione (in collaborazione con: Università di Padova–DIE, Istituto Montefiore dell’Università di Liegi);
− Studio delle modalità di riaccensione del sistema dopo black-out in regime di liberalizzazione del mercato dell'energia elettrica (in collaborazione con: Università di
Genova-DIE e di Pisa-DSEA);
− Modelli e codici di calcolo per la risoluzione di problemi di ottimizzazione del mercato
concorrenziale dell'energia elettrica (in collaborazione con: DEIS - Università di
Bologna, Università di Pisa-DI e DSEA, University of Illinois at Urbana-Champaign).
3. SETTORE DISTRIBUZIONE
− Protezione dei sistemi elettrici dagli effetti delle fulminazioni dirette ed indirette (in
collaborazione con: EPFL-LRE, Università di Roma La Sapienza-DIE, Università della
Florida, Università di Toronto, CESI, ENEL-Distribuzione, Politecnico di Lisbona,
Leitwind);
− Studio delle procedure di localizzazione dei punti di guasto in sistemi elettrici di distribuzione attraverso l’analisi wavelet di transitori elettromagnetici (in collaborazione
con: CESI e Northeastern University di Boston);
− Sviluppo di sistemi automatici di misura per l'analisi della qualità dell'energia elettrica
(in collaborazione con: CESI, gruppo Misure Elettriche del DIE).
4. SETTORE UTILIZZAZIONE E COMPONENTI
− Caratterizzazione di accumulatori elettrochimici per la trazione elettrica (in collaborazione con: Università di Pisa-DSEA, Ducati Energia);
− Sviluppo di impianti dimostrativi per il trattamento elettrotermico e la vetrificazione degli inquinanti dei terreni (in collaborazione con: DISTEGA-Università di Bologna, Centro Ricerche e Servizi Ambientali - Fenice S.p.A., HERA).
Attività didattica
Il laboratorio svolge attività di supporto alla didattica
universitaria svolta dai docenti che vi afferiscono per i
corsi di Centrali elettriche, Elementi di impianti e sicurezza elettrica, Elementi di sistemi elettrici per l’energia, Impianti elettrici, Produzione dell’energia elettrica
e Sistemi elettrici per l’energia. Il laboratorio partecipa
ai corsi svolti nel campo dei sistemi elettrici di potenza
dalla EES-UETP (Electric Energy Systems-University
Enterprise Training Partnership) associazione di università, società elettriche e centri di ricerca europei.
183
7. Laboratori
7.5 LIMP
LABORATORIO DI INGEGNERIA MAGNETOFLUIDODINAMICA
E PLASMI
Gruppo di lavoro: C.A. Borghi, M.R. Carraro, M. Breschi,
A. Cristofolini, G. Neretti
Dislocazione:
Viale Risorgimento 2, 40136 Bologna Italy
Andrea Cristofolini
Contatto:
Tel. +39 051 2093568, fax.+39 051 2093588
[email protected]
E-mail:
http://www.die.ing.unibo.it/limp.htm
Sito web:
Presentazione
Il laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica e Plasmi (LIMPT) nasce all’interno del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ove svolge la
propria attività sperimentale in gruppo di ricerca con nome analogo. Al LIMP vengono studiati plasmi di tipo ingegneristico e la magnetofluidodinamica che li descrive. Viene prestata particolare attenzione alle applicazioni di interesse industriale. Tali indagini sono rivolte a
plasmi costituiti da gas ionizzati a differenti
condizioni termodinamiche (presione, temperatura e grado di ionizzazione) e differenti condizioni elettromagnetiche. Le applicazioni prese in esame riguardano gas ionizzati ottenuti
da scariche elettriche in corrente continua od
in corrente alternata con frequenze dell’ordine
del KHz. Alcune applicazioni prevedono l’utilizzo di campi magnetici applicati dall’esterno.
Molte sono le diagnostiche messe a punto e
disponibili nel laboratorio. Oltre agli strumenti
di misura di tipo standard (sonde di pressione
e sonde elettriche di vario tipo) sono state
messe a punto diagnostiche spettroscopiche,
rivelatori di immagine, fotografia Schlieren,
tecniche a microonde.
Il LIMP è stato creato ed è potuto crescere grazie ai progetti di ricerca finanziati da diversi
enti pubblici e privati. L’attività sperimentale sopra descitta è affiancata da un’attività teorica e di simulazione numerica che utilizza le competenze e l’esperienza acquisita in un
trentennio.
Attività di Ricerca
Le principali attività di ricerca svolte al LIMP riguardano le seguenti attività:
• Propulsione magnetoplasmadinamica (MPD) per il trasporto spaziale.
• Studio dei plasmi per la generazione magnetoidrodinamica a vene di plasma.
• Conversione magnetofluidodinamica dell’energia.
184
7. Laboratori
• Interazione magnetoidrodinamica negli strati
limite supersonici e ipersonici.
• Controllo del volo ipersonico.
• Interazione elettroidrodinamica (EHD) in flussi subsonici.
• Scarica a bagliore in atmosfera (barrier discharge).
• Diagnostiche di Imaging per lo studio di plasmi non uniformi.
• Diagnostiche spettroscopiche nei plasmi.
• Diagnostiche a microonde per plasmi.
• Fotografia Schlieren.
• Modelli numerici per la magnetofluidodinamica del plasma (fluidodinamica, elettrodinamica e cinetica del plasme).
• Modelli numerci per campi elettrici e magnetici.
Le principali ricerche svolte all’interno del LIMP
in questi ultimi anni sono:
• MIUR 2000 - Diagnostica di motori magnetoplasma-dinamici per applicazioni spaziali.
• ASI 2002 - MHD interactions in hypersonic
flows.
• Miur 2004 - Sviluppo di un Ambiente Modellistico-Numerico Finalizzato al Progetto Magnetogasdinamico di Veicoli Ipersonici.
• ASI 2004 - CAST (Configurazioni aerotermodinamiche innovative per sistemi di trasporto spaziale) - Fase A.
• ESA 2005 - Plasma Solver Ps-JUST.
• ASI 2006 - CAST - Fase B/C/D (Contratto approvato, in fase di definizione).
Attività didattica
Al LIMP sono svolte numerose attività inerenti lo
svolgimento di tirocini, tesi di laurea e di dottorato.
Gli studenti, durante la loro permanenza al LIMP, si
impadroniscono delle conoscenze e dell’esperienza
necessaria alle attività sperimentali connesse a
scariche elettriche ed a plasmi di interesse industriale. Inoltre, più in generale, tali esperienze sono rivolte a tutte quelle attività tecnico scientifiche tipiche
dell’ingegneria avanzata quali le attività numeriche,
di acquisizione, gestione ed interpretazione dei dati
sperimentali, lo sviluppo di un apparato sperimentale, e la preparazione e la gestione delle prove. Gli
studenti del LIMP si dedicano anche a tutte le attività teoriche connesse con le tematiche oggetto di studio che vanno dalla ricerca bibliografica alla modellistica teorica e numerica. Vengono particolarmente curate le tematiche dell’ingegneria elettrica in vista di un potenziale inserimento nel mondo del lavoro.
Nel laboratorio vengono eseguite le esercitazioni per il corso di Ingegneria dei Plasmi LS.
185
7. Laboratori
7.6 LIM&SA
LABORATORIO DI INGEGNERIA MAGNETOFLUIDODINAMICA
E SUPERCONDUTTIVITÀ APPLICATA
Gruppo di lavoro: M. Breschi, M. Fabbri, G. Mariani, A. Morandi,
F. Negrini, P.L. Ribani, L. Trevisani
Dislocazione:
Tel. 051 - 2093575, Fax. 051 - 2093588
Contatto:
[email protected]
E-mail:
http://www.die.ing.unibo.it/limsa.htm
Sito web:
Presentazione
L'attività del Laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica, costituito nel Marzo 1977, è
rivolta allo studio delle applicazioni industriali della magnetofluidodinamica e della superconduttività, con particolare riguardo ai sistemi energetici. Il laboratorio ha svolto in passato attività sperimentale avvalendosi di un impianto con
tubo d'urto, magnete criogenico e generatore MHD progettato e realizzato presso il
Laboratorio stesso. Successivamente l'attività si è concentrata sulla modellistica dei generatori MHD e sullo sviluppo
di metodologie per il progetto,
la costruzione e l’ottimizzazione di dispositivi elettromagnetici utilizzanti superconduttori.
A tutt’oggi si sono sviluppate
competenze innovative nei
seguenti settori:
- Analisi e Sintesi di magneti superconduttori
- Tecnologie MHD applicate alla metallurgia;
- Separatori magnetici ad alto gradiente di campo (HGMS) ed separatori a gradiente
aperto (OGMS) per il disinquinamento dei fumi industriali.
Dal 1989 a 1995 il Laboratorio è stato la Sede del Coordinamento Nazionale del Sottoprogetto Magneti Superconduttori del Progetto Finalizzato Tecnologie Superconduttive e
Criogeniche del CNR. Nell'ambito di questa attività è stato eseguito il progetto esecutivo e
la costruzione di un magnete con geometria a sella rettangolare (lunghezza attiva 2 m,
campo massimo sull'asse 5 T, energia immagazzinata 62 MJ) da utilizzarsi in un impianto
pilota MHD da 30 MW. Il magnete prototipo realizzato è attualmente presso i laboratori di
Ansaldo Energia a Genova.
Sin dalla sua fondazione il laboratorio di Ingegneria Magnetofluidodinamica ha sviluppato,
e tuttora ha in atto, collaborazioni scientifiche con numerosi enti di ricerca italiani ed esteri:
Ansaldo Superconduttori, Kawasaki Steel Company, Nippon Steel Corporation, Tokyo Institute of Technology, University of Tokyo, Nagoya University, Russian Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences, DOE-USA, CNR, Ministero dell’Industria, ENEA,
ENEL, CESI, EURATOM, CERN, INFN, INFM, Outokumpu, etc.
186
7. Laboratori
Il Laboratorio di Superconduttività Applicata dell'Università di Bologna è impegnato nello
studio teorico e sperimentale e nella messa a punto degli strumenti di progetto per le numerose applicazioni industriali dei materiali superconduttori. Le attività del laboratorio si
svolgono in collaborazione con numerosi enti di ricerca nazionali ed internazionali ed
aziende operanti nel settore.
Nell’ ambito del progetto “Studio, progettazione e realizzazione di un prototipo di
μSMES per la gestione ottimale dell'energia elettrica in un ambiente industriale
perturbato” si è realizzato un magnete SC
da 200kJ/75kW e 150 A nominali in collaborazione con Ansaldo Superconduttori. Il
dispositivo, destinato all’accumulo di energia nei sistemi di controllo della power quality, è realizzato con uno strand superconduttivo in Ni-Ti stabilizzato in rame. L’isolamento elettrico è stato verificato alla tensione di 500 V. Il test in elio liquido del magnete alla corrente nominale, e le prove di
carica con diversi ramp-rate sono in fase di
svolgimento.
magnete superconduttivo da 200 KJ
Tra le applicazioni esaminate particolare attenzione è rivolta ai dispositivi
di limitazione della corrente di guasto
che utilizzano materiali superconduttori; in tale ambito è stato realizzato e
testato un prototipo di limitatore di
corrente superconduttivo a nucleo
schermato operante in azoto liquido.
Le rilevazioni sperimentali effettuate
sono utilizzate per la validazione e
l’approfondimento dei modelli numerici sviluppati. Tali modelli sono impiegati per lo studio dell’interazione dei
limitatori con le reti di trasmissione e
distribuzione dell’energia elettrica e
per la messa a punto di strategie di
progetto ottimizzate.
prototipo di limitatore a nucleo
schermato e sistema di prova
Recentemente è iniziata una nuova
attività di caratterizzazione dei materiali magnetici nanostrutturati a base di
ferro e nickel, avente come obiettivo la
sintesi di materiali magnetici ad alte
prestazioni, ottenuta combinando le
proprietà dei materiali attualmente disponibili. In tale ambito si è progettato
e realizzato un sistema per la misura
del ciclo di isteresi di provini di materiali nanotecnologici di dimensione
centimetrica.
187
7. Laboratori
7.7 LEMAD
Laboratorio di Macchine ed Azionamenti Elettrici
(Laboratory of Electrical Machine And Drives)
Gruppo di lavoro: D. Casadei, F. Filippetti, G. Serra, A. Tani,
C. Rossi, L. Zarri
Dislocazione:
Tel. 051 - 2093586, Fax. 051 - 2093588
Contatto:
[email protected]
E-mail:
http://www.die.ing.unibo.it/lemad.htm
Sito web:
Presentazione
Il Laboratorio di Azionamenti e di Macchine
Elettriche del Dipartimento di Ingegneria Elettrica da più di vent’anni sviluppa tematiche di
ricerca inerenti motori e generatori elettrici,
azionamenti elettrici ed elettronica di potenza.
Il laboratorio può inoltre fornire prove e servizi
per soggetti esterni.
Il laboratorio è collocato al piano terra della
Facoltà di Ingegneria e ha un’estensione di
circa 250 m2. Il laboratorio è equipaggiato con
Il Laboratorio di Macchine e Azionamenti
moderni strumenti di misura. Inoltre sono
nei primi anni ’90.
disponibili numerosi banchi-freno e le dotazioni
impiantistiche per l’esecuzione di prove e il collaudo di motori elettrici.
Il laboratorio dispone delle seguenti alimentazioni principali:
−
−
−
−
−
linea trifase 380 V, 150 A
linea trifase 220 V, 150 A
linea variac trifase 0 - 440 V, 150 A
n.2 banchi batterie piombo - acido, 80 V 500 Ah
alimentatore trifase HP a forma d’onda arbitraria.
Nel laboratorio sono installati i seguenti banchi-freno per collaudo motori, ciascuno dotato
di trasduttori di coppia e velocità in classe 0.2:
− 2000 Nm, 3000 rpm. Totalmente rigenerativo verso rete. Freno con macchina
asincrona, funzionamento su quattro quadranti, controllo in coppia o velocità.
− 500 Nm, 6000 rpm. Totalmente rigenerativo verso rete. Freno con macchina asincrona,
funzionamento su quattro quadranti, controllo in coppia o velocità.
− 50 Nm, 9000 rpm. Freno con motore in corrente continua, funzionamento dissipativo.
− 50 Nm, 6000 rpm. Freno con motore in corrente continua, funzionamento su quattro
quadranti, controllo in coppia o velocità.
− 5 Nm, 9000 rpm. Freno dissipativo con macchina in corrente continua.
− 1 Nm, 30.000 rpm. Freno dissipativo con macchina brushless.
Tra gli strumenti disponibili in laboratorio si segnalano i seguenti:
− wattmetro trifase Yokogawa 2030 a larga banda.
− wattmetro trifase Yokogawa 2535.
− n. 2 wattmetri trifase Infratek con analisi armonica.
188
7. Laboratori
− Analizzatore di rete Hioki 3196.
− n. 2 oscilloscopi acquisitore 8 canali
Yokogawa DL708.
− Gaussmetro Brockhaus Messtechnik 421.
Le principali tematiche di ricerca, svolte sotto
la guida dei Proff. D. Casadei e G. Serra riguardano:
AZIONAMENTI ELETTRICI AD ELEVATA DINAMICA E
PER AMPIO RANGE DI VELOCITÀ
•
•
•
Direct Torque Control (DTC)
Stator Flux Vector Control (SFVC)
Wound Rotor Synchronous Machine (WRSM)
Attività in corso presso il Laboratorio
di Macchine e Azionamenti Elettrici.
CONVERTITORI ELETTRONICI
• tradizionali, a matrice, multilivello, polifase e per sistemi fotovoltaici
• per trazione elettrica
MACCHINE ELETTRICHE
• motori lineari sincroni, asincroni e passo-passo
• motori rotanti convenzionali, sincroni, asincroni e brushless
• motori speciali ad alta coppia
• macchine elettriche polifase
ALGORITMI DI CONTROLLO
• tecniche di modulazione per inverter tradizionali
• diagnostica per motori asincroni e per generatori asincroni a rotore avvolto
CONDIZIONAMENTO DELLA POTENZA
• filtri attivi
• sistemi di produzione e accumulo dell’energia
• sistemi ad idrogeno
Il gruppo di ricerca si avvale della collaborazione di ricercatori, tecnici, collaboratori,
dottorandi e studenti laureandi, sia italiani sia stranieri, con collaborazioni proficue con
numerosi centri di ricerca nazionali ed internazionali. Lo svolgimento dell'attività di ricerca
richiede competenze scientifiche non solo nel settore Convertitori, Macchine ed
Azionamenti Elettrici, ma anche in settori quali elettronica analogica e digitale, architettura
dei sistemi di controllo a microprocessore, informatica, controlli automatici, impianti elettrici
e misure elettriche.
Servizi per le aziende
Il laboratorio è in grado di fornire servizi all'industria inerenti il settore degli azionamenti e
l’elettronica di potenza, tra cui:
•
•
•
prove e collaudo di motori elettrici (norma CEI 2-3) o di azionamenti, con condizioni
di carico e cicli di lavoro personalizzati
prove e collaudo di azionamenti per veicoli elettrici (standard RACE '85)
prove e misure in loco per il collaudo di sistemi di potenza ed impianti di produzione
dell'energia.
189
7. Laboratori
7.8 GMEE Lab
LABORATORIO DI MISURE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE
Gruppo di lavoro: A. Burchiani, G. Pasini, L. Peretto, E. Pivello,
M. Rinaldi, R. Sasdelli, E. Scala, R. Tinarelli.
Dislocazione:
viale Risorgimento, 2, I-40136 Bologna.
Tel. 051-2093488, Fax 051-2093470
Contatto:
[email protected]
E-mail:
http://www.gmee-bo.ing.unibo.it
Sito web:
Presentazione
Il Laboratorio di Misure Elettriche ed Elettroniche ha attualmente sede presso il Laboratorio Multidisciplinare del Dipartimento di Ingegneria Elettrica. Grazie alla disponibilità di
strumenti e attrezzature qualificate, in esso
vengono svolte attività sperimentali in
numerosi settori di competenza del Gruppo
Misure Elettriche ed Elettroniche (GMEE).
In particolare, le ricerche vertono su argomenti inerenti l’energia elettrica, l’elettronica
e l’affidabilità di componenti e sistemi elettronici.
Il responsabile del gruppo di ricerca per il
triennio 2004-2006 è il Prof. Domenico Mirri,
recentemente trasferitosi al DEIS, mentre le
varie attività di ricerca sono coordinate rispettivamente dal Prof. Gaetano Pasini, per
i temi riguardanti l’elettronica, e dal Prof.
Lorenzo Peretto, per i temi riguardanti l’energia elettrica e l’affidabilità.
Il laboratorio ospita inoltre studenti dei corsi di Ingegneria Elettrica, Elettronica, Informatica
e delle Telecomunicazioni per lo svolgimento delle attività di tirocinio e di tesi di tipo sperimentale.
Attività di Ricerca
Le attività dei ricercatori del gruppo riguardano principalmente tematiche che possono inquadrate nelle seguenti aree:
•
Analisi della propagazione delle incertezze negli algoritmi di misura
(L. Peretto, R. Sasdelli, R. Tinarelli)
•
Caratterizzazione di trasduttori di corrente e tensione
(L. Peretto, R. Sasdelli, E. Scala, R. Tinarelli)
•
Caratterizzazione e modellistica di sistemi dinamici non lineari
(G. Pasini, D. Mirri*, P. Traverso*)
•
Metodologie e strumentazione per l'analisi digitale dei segnali
(G. Pasini, D. Mirri*, P. Traverso*)
•
Misure per la valutazione della Power Quality
(L. Peretto, E. Pivello,R. Sasdelli, E. Scala, R. Tinarelli)
•
Modelli e strumenti per l'analisi dell'affidabilità di dispositivi e sistemi e per il
controllo statistico della qualità
(L. Peretto, P. Rinaldi*)
190
7. Laboratori
In numerosi temi inerenti tali aree sono attive collaborazioni con ricercatori di altre Università sia italiane (Politecnico di Milano, Università di Cagliari, Università di Modena e Reggio Emilia, Università di Padova, Università di Trento)
che straniere (Worcester Polytechnic Institute, USA,
Ruhr Universitat di Bochum, Germania). Alcune tematiche dell’area “Misure per la valutazione della Power
Quality” sono affrontate in collaborazione con i ricercatori del gruppo Sistemi Elettrici per l’Energia di questo
Dipartimento.
Le attività sperimentali svolte in questi anni sono state
frequentemente integrate in progetti di ricerca di interesse nazionale o di Ateneo, fra i quali si ricordano:
•
•
•
•
•
•
•
•
40% 1998 "Sistemi di misura con architetture complesse: caratterizzazione degli
apparati e qualificazione dei processi di misura"
40% 2001 "Qualificazione di sistemi di misura complessi e a larga scala per l'analisi
della power quality"
40% 2004 "Studio ed applicazione di metodologie per garantire la riferibilità delle
misure operate da sensori di disturbi transitori in reti elettriche"
40%1998 “Modello per la caratterizzazione degli effetti dinamici non-lineari nei
dispositivi S/H-ADC”
40% 2001 “Modello dinamico non lineare per la caratterizzazione nel dominio del
tempo di dispositivi per la conversione analogico-digitale. Studio di tecniche di
compensazione delle non-idealita' dinamiche in sistemi di misura digitali.
40% 2003 “Caratterizzazione e tecniche di compensazione degli effetti non lineari
dinamici in canali di acquisizione di strumentazione a campionamento”
Progetto di ricerca pluriennale di Ateneo, 1999 “'Studio, progetto e realizzazione di
un prototipo di un sistema automatico di misura con caratteristiche innovative per
l'analisi della qualità dell'energia elettrica'"
Progetto di ricerca pluriennale di Ateneo, anno 2001 “Sistema orientato alla misura
dell’inquinamento elettromagnetico (elettrosmog) in ambiente industriale”
I ricercatori contrassegnati da * afferiscono al Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica (DEIS).
Attività di prove e servizi per soggetti esterni
Il laboratorio e i ricercatori del gruppo sono in costante contatto con le aziende del settore
per collaborazioni relative allo sviluppo di strumentazione innovativa o dedicata e misure
sul campo. Fra le collaborazioni avute nel corso degli anni, si ricorda quella con la ditta HT
Italia di Faenza (RA), per lo sviluppo di uno strumento per la misura del flicker, e quella
con la ditta Teklab di Modena per la realizzazione di uno strumento virtuale per la previsioni di parametri affidabilistici.
Strumentazione principale
La dotazione del laboratorio comprende numerosi strumenti di pregio, fra i quali:
•
•
•
•
•
•
•
Multimetri digitali a 8 ½ digit HP 3458A
Calibratore per strumentazione Datron 4900
Oscilloscopio digitale Tecktronics TDS 5000
Oscilloscopio digitale Lecroy Waverunner 6050
Analizzatore di rete Agilent 4396
Analizzatore di qualità dell’energia Fluke 434
Generatore di tensione programmabile (400 V, 13 A) Agilent 6800.
191

DIE - Dipartimento di Ingegneria dell`Energia elettrica e dell

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