Studio nel dominio tempo-frequenza di emissioni condotte generate da convertitori elettronici di potenza

La presente Tesi di Laurea si colloca nell’ambito di un progetto strategico di ateneo chiamato OpIMA. Tale progetto mira a sviluppare codificatori innovativi per segnali di tipo impulsivo, discreti nei livelli, con riferimento soprattutto all’attuazione, alla sintesi di forme d’onda e all’amplificazione audio. L’obiettivo del progetto è di sviluppare nuove generazioni di codificatori, simili nell’uso a quelli tradizionali ed in qualche modo compatibili con essi e pure basati su principi operativi radicalmente diversi. La Tesi di Laurea è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE) nel laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica (LACEM). Il lavoro tratta di uno studio nel dominio tempo-frequenza sulle emissioni condotte prodotte da un convertitore statico DC/AC progettato presso il DIE. Tale studio risulta utile per capire come e quando vengono generati questi disturbi e per migliorare la compatibilità elettromagnetica del convertitore. La Tesi inizialmente richiama con il Capitolo 1 i concetti che stanno alla base della compatibilità elettromagnetica, soprattutto per quanto riguarda le emissioni condotte. Con il Capitolo 2 si descrive in dettaglio il banco prova in ogni sua parte; nel Capitolo 3 vengono riportati i dati teorici di carica e scarica del BUS DC del convertitore. Nel Capitolo 4, 5, 6 vengono riportati i risultati delle prove effettuate sul convertitore per quanto riguarda le emissioni condotte; in particolare nel Capitolo 4 le prove sono state eseguite sul convertitore originale, nel Capitolo 5 si sono ripetute le prove separando elettricamente il circuito di potenza del convertitore da quello di controllo (ovviamente in questa fase abbiamo utilizzato due fonti di alimentazione separate) e nel Capitolo 6 si è voluto eliminare il rumore generato dall’alimentatore presente all’interno del circuito di controllo e per far ciò sono stati costruiti cinque alimentatori lineari esterni con determinate caratteristiche. Infine nell’ultimo Capitolo si sono tratte le conclusioni sui risultati delle misure effettuate.

Sistemi di ancoraggio per convertitori di energia da onda galleggianti

Il presente lavoro presenta una analisi di sensitività sui parametri progettuali più significativi per i sistemi di ancoraggio di dispositivi di produzione di energia del mare di tipo galleggiante, comunemente conosciuti come Floating Wave Energy Converters (F-WEC). I convertitori di questo tipo sono installati offshore e possono basarsi su diversi principi di funzionamento per la produzione di energia: lo sfruttamento del moto oscillatorio dell’onda (chiamati Wave Active Bodies, gran parte di convertitori appartengono la tecnologia di questo tipo), la tracimazione delle onde (Overtopping Devices), o il principio della colonna d’acqua oscillante (Oscillating Water Columns). La scelta del luogo di installazione dei tali dispositivi implica una adeguata progettazione del sistema di ancoraggio che ha lo scopo di mantenere il dispositivo in un intorno sufficientemente piccolo del punto dove è stato originariamente collocato. Allo stesso tempo, dovrebbero considerarsi come elemento integrato del sistema da progettare al fine di aumentare l’efficienza d’estrazione della potenza d’onda. Le problematiche principali relativi ai sistemi di ancoraggio sono: la resistenza del sistema (affidabilità, fatica) e l’economicità. Le due problematiche sono legate tra di loro in quanto dall’aumento del resistenza dipende l’aumento della complessità del sistema di ancoraggio (aumentano il numero delle linee, si utilizzano diametri maggiori, aumenta il peso per unità di lunghezza per ogni linea, ecc.). E’ però chiaro che sistemi più affidabili consentirebbero di abbassare i costi di produzione e renderebbero certamente più competitiva l’energia da onda sul mercato energetico. I dispositivi individuali richiedono approcci progettuali diversi e l’economia di un sistema di ormeggio è strettamente legata al design del dispositivo stesso. Esistono, ad oggi, una serie di installazioni a scala quasi di prototipo di sistemi WEC che hanno fallito a causa del collasso per proprio sistema di ancoraggio, attirando così l’attenzione sul problema di una progettazione efficiente, affidabile e sicura.

Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona

In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Realizzazione e verifica sperimentale del sistema di controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

In questo lavoro di tesi è stato realizzato lo schema di controllo di un raddrizzatore attivo e di un filtro attivo. Questi sono stati realizzati utilizzando il software Simulink, effettuando una prima fase di simulazione. Tramite il sistema dSpace è stato possibile poi controllare concretamente il convertitore ed effettuare le prove sperimentali.

Impiego di regolatori ripetitivi per il controllo di convertitori elettronici di potenza per l'interfacciamento con la rete elettrica

L’obiettivo di tesi consiste nel valutare il funzionamento di regolatori ripetitivi per il controllo di un inverter utilizzato come filtro attivo al fine di eliminare le armoniche di corrente prodotte da un carico distorcente trifase connesso in rete. È descritto lo schema di simulazione realizzato in ambiente Simulink di Matlab per poter individuare una possibile implementazione del controllo. È descritta l’attività di prototipazione rapida svolta mediante il sistema dSPACE per poter verificare sperimentalmente il funzionamento del controllo con regolatore ripetitivo su un modello di impianto reale costituito da inverter, carico distorcente e rete.

Valutazioni energetiche per circuiti di energy harvesting da linee elettriche

viene stimata la fattibilità di sistemi di energy harvesting dedicati alle linee elettriche con particolare riferimento a modelli capacitivi e vengono analizzati energeticamente due soluzioni circuitali per alimentare un carico.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Variable Step Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Modules with Embedded Temperature Sensing

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Piezoelectric energy harvesting using blood-flow-like excitation for implantable devices

The goal of this research is to produce a system for powering medical implants to increase the lifetime of the implanted devices and reduce the battery size. The system consists of a number of elements – the piezoelectric material for generating power, the device design, the circuit for rectification and energy storage. The piezoelectric material is analysed and a process for producing a repeatable high quality piezoelectric material is described. A full width half maximum (FWHM) of the rocking curve X-Ray diffraction (XRD) scan of between ~1.5° to ~1.7° for test wafers was achieved. This is state of the art for AlN on silicon and means devices with good piezoelectric constants can be fabricated. Finite element modelling FEM) was used to design the structures for energy harvesting. The models developed in this work were established to have an accuracy better than 5% in terms of the difference between measured and modelled results. Devices made from this material were analysed for power harvesting ability as well as the effect that they have on the flow of liquid which is an important consideration for implantable devices. The FEM results are compared to experimental results from laser Doppler vibrometry (LDV), magnetic shaker and perfusion machine tests. The rectifying circuitry for the energy harvester was also investigated. The final solution uses multiple devices to provide the power to augment the battery and so this was a key feature to be considered. Many circuits were examined and a solution based on a fully autonomous circuit was advanced. This circuit was analysed for use with multiple low power inputs similar to the results from previous investigations into the energy harvesting devices. Polymer materials were also studied for use as a substitute for the piezoelectric material as well as the substrate because silicon is more brittle.

Improved energy harvesting capability of poly(vinylidene fluoride) films modified by reduced graphene oxide

Piezoelectric energy harvesters can be used to convert ambient energy into electrical energy and power small autonomous devices. In recent years, massive effort has been made to improve the energy harvesting ability in piezoelectric materials. In this study, reduced graphene oxide was added into poly(vinylidene fluoride) to fabricate the piezoelectric nanocomposite films. Open-circuit voltage and electrical power harvesting experiments showed remarkable enhancement in the piezoelectricity of the fabricated poly(vinylidene fluoride)/reduced graphene oxide nanocomposite, especially at an optimal reduced graphene oxide content of 0.05 wt%. Compared to pristine poly(vinylidene fluoride) films, the open-circuit voltage, the density of harvested power of alternating current, and direct current of the poly(vinylidene fluoride)/reduced graphene oxide nanocomposite films increased by 105%, 153%, and 233%, respectively, indicating a great potential for a broad range of applications.

Real time maximum power conversion tracking and resonant frequency modification for high power piezoelectric ultrasound transducer

Piezoelectric ultrasound transducers are commonly used to convert mechanical energy to electrical energy and vice versa. The transducer performance is highly affected by the frequency at which it is excited. If excitation frequency and main resonant frequency match, transducers can deliver maximum power. However, the problem is that main resonant frequency changes in real time operation resulting in low power conversion. To achieve the maximum possible power conversion, the transducer should be excited at its resonant frequency estimated in real time. This paper proposes a method to first estimate the resonant frequency of the transducer and then tunes the excitation frequency accordingly in real time. The measurement showed a significant difference between the offline and real time resonant frequencies. Also, it was shown that the maximum power was achieved at the resonant frequency estimated in real time compare to the one measured offline.