Grid Connected Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine under LVRT

This project concentrates on the Low Voltage Ride Through (LVRT) capability of Doubly Fed Induction Generator (DFIG) wind turbine. The main attention in the project is, therefore, drawn to the control of the DFIG wind turbine and of its power converter and to the ability to protect itself without disconnection during grid faults. It provides also an overview on the interaction between variable speed DFIG wind turbines and the power system subjected to disturbances, such as short circuit faults. The dynamic model of DFIG wind turbine includes models for both mechanical components as well as for all electrical components, controllers and for the protection device of DFIG necessary during grid faults. The viewpoint of this project is to carry out different simulations to provide insight and understanding of the grid fault impact on both DFIG wind turbines and on the power system itself. The dynamic behavior of DFIG wind turbines during grid faults is simulated and assessed by using a transmission power system generic model developed and delivered by Transmission System Operator in the power system simulation toolbox Digsilent, Matlab/Simulink and PLECS.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Studio e ottimizzazione dinamica del manipolatore "antrop"

Tesi realizzata presso l’azienda Paglierani S.r.l. con sede a Torriana, per l’esigenza di studiare e ottimizzare dinamicamente il manipolatore “Antrop”. Dopo una breve descrizione dell’azienda e della sua storia, nel secondo capitolo sono racchiuse le informazioni più importanti e utili sulla robotica e sugli azionamenti elettrici, nozioni poi sfruttate durante lo svolgimento dell’elaborato stesso. Successivamente sono descritte in modo dettagliato il robot, le sue funzionalità e le sue caratteristiche meccaniche. Seguono l’analisi cinematica e l’analisi dinamica, suddivisa in due parti a causa della geometria cilindrica del manipolatore. Il sesto capitolo contiene il procedimento di mappatura e la logica con cui è stato scritto. Inoltre, vengono presentati i risultati dei test e le conseguenti considerazioni. Nel capitolo settimo è descritta la formulazione analitica delle sollecitazioni per le leve del robot e ne vengono raffigurati i risultati generali. L’ultimo capitolo è dedicato al bilanciamento statico con masse e molle.

Power Converters and Electric Drives for Smart Grid Applications

The present dissertation aims to explore, theoretically and experimentally, the problems and the potential advantages of different types of power converters for “Smart Grid” applications, with particular emphasis on multi-level architectures, which are attracting a rising interest even for industrial requests. The models of the main multilevel architectures (Diode-Clamped and Cascaded) are shown. The best suited modulation strategies to function as a network interface are identified. In particular, the close correlation between PWM (Pulse Width Modulation) approach and SVM (Space Vector Modulation) approach is highlighted. An innovative multilevel topology called MMC (Modular Multilevel Converter) is investigated, and the single-phase, three-phase and "back to back" configurations are analyzed. Specific control techniques that can manage, in an appropriate way, the charge level of the numerous capacitors and handle the power flow in a flexible way are defined and experimentally validated. Another converter that is attracting interest in “Power Conditioning Systems” field is the “Matrix Converter”. Even in this architecture, the output voltage is multilevel. It offers an high quality input current, a bidirectional power flow and has the possibility to control the input power factor (i.e. possibility to participate to active and reactive power regulations). The implemented control system, that allows fast data acquisition for diagnostic purposes, is described and experimentally verified.

Analysis and design of high performance multiphase electric drives for vehicle and aircraft applications

The first part of this thesis has focused on the construction of a twelve-phase asynchronous machine for More Electric Aircraft (MEA) applications. In fact, the aerospace world has found in electrification the way to improve the efficiency, reliability and maintainability of an aircraft. This idea leads to the aircraft a new management and distribution of electrical services. In this way is possible to remove or to reduce the hydraulic, mechanical and pneumatic systems inside the aircraft. The second part of this dissertation is dedicated on the enhancement of the control range of matrix converters (MCs) operating with non-unity input power factor and, at the same time, on the reduction of the switching power losses. The analysis leads to the determination in closed form of a modulation strategy that features a control range, in terms of output voltage and input power factor, that is greater than that of the traditional strategies under the same operating conditions, and a reduction in the switching power losses.

Controllo sensorless di attuatori tubolari pentafase

L'elaborato si pone l'obiettivo di sviluppare un controllo sensorless di posizione per un attuatore tubolare pentafase anisotropo a magneti permanenti. Le peculiarità degli attuatori tubolari sono molteplici: assenza di organi di trasmissione del moto; compattezza; elevate densità di forza e prestazioni nella dinamica, con una più ampia banda passante per il sistema di controllo; maggiore precisione, risoluzione, ripetibilità ed affidabilità. Tale tipologia di macchina è pertanto molto interessante in diverse applicazioni quali robotica, automazione, packaging, sistemi di posizionamento ecc., ed è altresì promettente nei settori aerospaziale e automotive. L'azionamento in studio è inoltre di tipo multifase. In tal caso si ottengono diversi vantaggi: possibilità di suddividere la potenza su un numero elevato di rami del convertitore; capacità di lavorare in condizioni di guasto; incremento della densità di coppia della macchina; possibilità di controllare in modo indipendente e con un solo inverter più macchine collegate in serie. Prestazioni migliori della macchina si possono ottenere con un opportuno sistema di controllo. Nel caso di azionamenti a magneti permanenti risulta particolarmente attraente il controllo di tipo sensorless della posizione rotorica, in alternativa ad un encoder o un resolver. Questo aumenta l'affidabilità, riduce i costi e diminuisce l'ingombro complessivo dell'azionamento. Appare molto interessante l'utilizzo di un azionamento tubolare di tipo multifase, e ancor più lo sviluppo di un apposito controllo di posizione di tipo sensorless. L’algoritmo sensorless di stima della posizione dell’attuatore può essere sviluppato partendo dall’anisotropia di macchina, sfruttando la possibilità peculiare delle macchine multifase di estrarre informazioni sullo stato attraverso i molteplici gradi di libertà presenti. Nel caso in questione si tratta del controllo della terza armonica spaziale del campo magnetico al traferro. Fondamentale è la definizione di un modello matematico in grado di rappresentare in modo opportuno l’anisotropia di macchina. In letteratura non sono ancora presenti modelli adatti a descrivere il dispositivo in questione; pertanto una parte essenziale della tesi è stata dedicata a definire tale modello e a verificarne la validità. Partendo dal modello è possibile dunque sviluppare un appropriato algoritmo di controllo sensorless e rappresentare in simulink l'intero azionamento. Nella parte conclusiva del lavoro di tesi vengono presentate le prove sperimentali, finalizzate alla determinazione dei parametri di macchina e alla verifica del funzionamento del sistema di controllo. Infine sono confrontati i risultati ottenuti rispetto a quelli realizzati con controlli di tipo tradizionale.

Progettazione e realizzazione di un convertitore monofase in sic per applicazioni fotovoltaiche

Negli ultimi anni si è assistito ad un notevole sviluppo e diffusione dei sistemi di produzione di energia rinnovabile, in particolar modo di sistemi eolici e fotovoltaici. La sempre maggior richiesta di energia e la necessità di far fronte ai problemi di inquinamento sempre più intenso, a causa dei combustibili fossili, ha portato ad una crescita nell’interesse ad adottare queste nuove tecnologie per il sostentamento energetico della popolazione. In seguito all’adozione di tali sistemi si è verificata un’intensificazione della ricerca e dello sviluppo tecnologico in tale ambito al fine di massimizzare la produzione dell’energia. Un ruolo chiave nella gestione dell’energia ed in particolar modo l’interfacciamento del sistema di produzione con il carico è svolto elettronica di potenza. L’obiettivo principale della ricerca in tale ambito consiste nella individuazione di nuove tecnologie che permettano un incremento dell’efficienza di conversione anche di soli pochi punti percentuale. L’attività di tesi, svolta presso il LEMAD (Laboratorio di Macchine e Azionamenti del Dipartimento DEI), è stata quindi focalizzata nella progettazione e in seguito realizzazione di un convertitore per applicazioni fotovoltaiche. L’interesse nei confronti delle nuovetecnologie ha portato ad una scelta innovativa per quanto riguarda la configurazione dell’inverter costituente il convertitore. Tale configurazione, che prende il nome di Full Bridge DC Bypass o più semplicemente ponte H6, ha permesso la realizzazione di un convertitore compatto poiché non necessitante di un trasformatore per garantire l’isolamento tra i moduli PV e la rete. Inoltre l’adozione di due switch aggiuntivi rispetto ad un comune ponte H ha garantito una notevole riduzione delle perdite dovute alla tensione di modo comune(CMV)con conseguente incremento dell’efficienza. La ricerca di nuove tecnologie non è stata concentrata solamente nello studio di nuove configurazioni di inverter ma anche nell’individuazione di innovativi dispositivi di potenza. In particolar modo il silicon carbide o SiC ha dimostrato in diverse occasioni di essere un materiale superiore al silicio nelle applicazioni di potenza. Sono stati quindi realizzati due convertitori utilizzanti due differenti dispositivi di potenza (MOSFET in SiC e IGBT in Si)in modo tale da determinare le diverse prestazioni. Un ulteriore studio è stato svolto sulle tecniche di modulazione al fine di valutarne le differenti caratteristiche ed individuare quella più conveniente nella conversione utilizzante il ponte H6.

Modellazione elettromeccanica di una macchina automatica opercolatrice

Nella tesi si è studiata una macchina automatica per l'industria farmaceutica: l'Adapta 100, un'opercolatrice (macchina riempi-capsule) prodotta da IMA SpA. Gli scopi della tesi erano chiarire il flusso di potenza dei vari assi e valutare un possibile risparmio energetico. La macchina infatti ha diversi motori: uno, collegato all'asse master, che comanda i gruppi non rimovibili e gli altri che comandano i gruppi di dosaggio. Tali motori in generale, per qualche tratto del ciclo della macchina, potranno lavorare come generatori, anche considerando il solo funzionamento a regime: si avrà cioè, in qualche istante, che le forze esterne tendono ad accelerare il motore, che così assorbe energia meccanica e produce energia elettrica. Attualmente tale energia viene dissipata in apposite resistenze collegate ai motori; ci si è chiesti se non si potesse invece immagazzinare l'energia prodotta, ad esempio per usarla in caso di black-out, per frenare delicatamente la macchina senza che gli assi perdano la fase. Un'alternativa è quella di ridistribuire la potenza generata istante per istante collegando i motori a un comune bus DC. Prima però è necessario conoscere gli andamenti di coppia e velocità di ciascun motore: per questo ci si è ricondotti al modello della macchina a 1 gdl, riducendo tutte le coppie e le inerzie all'asse motore. Si sono studiati i due assi più importanti in termini di coppie e potenze di picco: questi sono l'asse master e l'asse di dosaggio della polvere farmaceutica. Il modello è stato concretamente implementato con degli script MATLAB. Il modello risulta flessibile, per considerare le varie modalità di funzionamento della macchina, e considera i principali termini di coppia, inclusi attriti (inseriti sotto forma di rendimenti) e forze esterne di lavorazione. Tra queste è particolarmente importante la forza di compattazione della polvere, che è stata modellata con la formula di Kawakita, nota dalla letteratura.

Sviluppo di un sistema per l'effettuazione di cicli di guida per motoveicoli sul banco a rulli

Il lavoro svolto in questa tesi fa parte di un progetto volto alla realizzazione di un sistema per svolgere test di guida di motoveicoli al banco a rulli, gestendo l’intera prova in remoto, ossia dall’esterno della cella. Tale sistema, denominato RideIT, è stato progettato da Alma Automotive per conto della nota casa motociclistica MV Augusta. Tramite il sistema RideIT, è possibile automatizzare la guida di motoveicoli sul banco a rulli, riproducendo via software, tramite un modello che governa degli attuatori, il comportamento del pilota per quel che riguarda gli azionamenti di acceleratore, frizione, cambio e freno durante un test. I vantaggi di questa soluzione riguardano soprattutto la sicurezza degli addetti, che possono effettuare tutte le prove del caso rimanendo al di fuori della sala prove, oltre alla possibilità di incrementare la ripetibilità e la riproducibilità dei risultati dei test, grazie all’eliminazione del fattore di soggettività legato al guidatore. Il sistema nasce con la specifica di poter eseguire test di omologazione al banco a rulli anche se, grazie alla flessibilità che è in grado di garantire, può essere perfettamente riconfigurato, anche in vista di futuri sviluppi del progetto.

Osservatore e controllore sensorless ad elevate prestazioni per propulsione elettrica di Unmanned Aerial Vehicles

Negli ultimi anni, tra le varie tecnologie che hanno acquisito una sempre maggiore popolarità e diffusione, una di particolare rilevanza è quella degli Unmanned Aerial Vehicles. Di questi velivoli, quelli che stanno riscuotendo maggiore successo sono i multirotori, alimentati esclusivamente da azionamenti elettrici disposti in opportune posizioni della struttura. Particolari sforzi sono stati recentemente dedicati al miglioramento di questa tecnologia in termini di efficienza e precisione, tuttavia quasi sempre si trascura la vitale importanza dello sfruttamento efficiente dei motori elettrici. La tecnica di pilotaggio adottata nella quasi totalità dei casi per questi componenti è il BLDC sensorless, anche se la struttura si dimostra spesso essere PMSM, dunque inadatta all’uso di questa strategia. Il controllo ideale per i PMSM risulterebbe essere FOC, tuttavia per l'implementazione sensorless molti aspetti scontati nel BLDC devono essere affrontati, in particolare bisogna risolvere problemi di osservazione e identificazione. Durante la procedura di avviamento, efficienti strategie di self-commissioning vengono adottate per l’identificazione dei parametri elettrici. Per la fase di funzionamento nominale viene proposto un osservatore composto da diversi componenti interfacciati tra loro tramite un filtro complementare, il tutto al fine di ottenere una stima di posizione e velocità depurata dai disturbi. In merito al funzionamento in catena chiusa, vengono esposte valutazioni preliminari sulla stabilità e sulla qualità del controllo. Infine, per provare la validità degli algoritmi proposti, vengono mostrati i risultati delle prove sperimentali condotte su un tipico azionamento per UAV, pilotato da una scheda elettronica progettata appositamente per l’applicazione in questione. Vengono fornite inoltre indicazioni sull’implementazione degli algoritmi studiati, in particolare considerazioni sull’uso delle operazioni a virgola fissa per velocizzare l'esecuzione.

Optimization of the power electronics system associated with ocean wave electric generators

The present thesis is focused on wave energy, which is a particular kind of ocean energy, and is based on the activity carried out during the EU project SEA TITAN. The main scope of this work is the design of a power electronic section for an innovative wave energy extraction system based on a switched-reluctance machine. In the first chapter, the general features of marine wave energy harvesting are treated. The concept of Wave Energy Converter (WEC) is introduced as well as the mathematical description of the waves, their characterization and measurement, the WEC classification, the operating principles and the standardization framework. Also, detailed considerations on the environmental impact are presented. The SEA TITAN project is briefly described. The second chapter is dedicated to the technical issues of the SEA TITAN project, such as the operating principle, the performance optimization carried out in the project, the main innovations as well as interesting demonstrations on the behavior of the generator and its control. In the third chapter, the power electronics converters of SEA TITAN are described, and the design choices, procedures and calculations are shown, with a further insight into the application given by analyzing the MATLAB Simulink model of the system and its control scheme. Experimental tests are reported in the fourth chapter, with graphs and illustrations of the power electronic apparatus interfaced with the real machine. Finally, the conclusion in the fifth chapter offers a global overview of the project and opens further development pathways.

Studio di un architettura hardware per il controllo di inverter per motori multifase

Lo scopo del lavoro è stato progettare una scheda di controllo in grado di concedere una buona flessibilità per il controllo di azionamenti elettrici, capace di interfacciarsi con configurazioni multi-livello, multifase e dual-motor. La progettazione è stata sviluppata con supporto di CAD elettronici commerciali. La scheda presenta tre parti fondamentali. Due unità di controllo identiche per permettere l’interfacciamento con più configurazioni, nelle quali sono realizzate tutte le funzioni di controllo, ed un’unità chiamata PL2 per la rielaborazione dati di tipologia unicamente automobilistica. E’ stato inoltre realizzato l’interfacciamento e l’assemblaggio con altre due schede elettroniche dedite all’attuazione dei segnali di controllo e alla gestione e rielaborazione dei segnali di veicolo.

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Unified control system for three-phase electric drives operating in magnetic saturation region

The research project aims to study and develop control techniques for a generalized three-phase and multi-phase electric drive able to efficiently manage most of the drive types available for traction application. The generalized approach is expanded to both linear and non- linear machines in magnetic saturation region starting from experimental flux characterization and applying the general inductance definition. The algorithm is able to manage fragmented drives powered from different batteries or energy sources and will be able to ensure operability even in case of faults in parts of the system. The algorithm was tested using model-in-the-loop in software environment and then applied on experimental test benches with collaboration of an external company.

Multi-phase electric drives for mobility

Multi-phase electrical drives are potential candidates for the employment in innovative electric vehicle powertrains, in response to the request for high efficiency and reliability of this type of application. In addition to the multi-phase technology, in the last decades also, multilevel technology has been developed. These two technologies are somewhat complementary since both allow increasing the power rating of the system without increasing the current and voltage ratings of the single power switches of the inverter. In this thesis, some different topics concerning the inverter, the motor and the fault diagnosis of an electric vehicle powertrain are addressed. In particular, the attention is focused on multi-phase and multilevel technologies and their potential advantages with respect to traditional technologies. First of all, the mathematical models of two multi-phase machines, a five-phase induction machine and an asymmetrical six-phase permanent magnet synchronous machines are developed using the Vector Space Decomposition approach. Then, a new modulation technique for multi-phase multilevel T-type inverters, which solves the voltage balancing problem of the DC-link capacitors, ensuring flexible management of the capacitor voltages, is developed. The technique is based on the proper selection of the zero-sequence component of the modulating signals. Subsequently, a diagnostic technique for detecting the state of health of the rotor magnets in a six-phase permanent magnet synchronous machine is established. The technique is based on analysing the electromotive force induced in the stator windings by the rotor magnets. Furthermore, an innovative algorithm able to extend the linear modulation region for five-phase inverters, taking advantage of the multiple degrees of freedom available in multi-phase systems is presented. Finally, the mathematical model of an eighteen-phase squirrel cage induction motor is defined. This activity aims to develop a motor drive able to change the number of poles of the machine during the machine operation.