Analisi ed ottimizzazione di un convertitore multilivello per sistemi fotovoltaici multistringa connessi alla rete

Durante il lavoro di tesi si è analizzato e sviluppato un convertitore trifase multilivello di nuova generazione per l'allacciamento di un campo fotovoltaico multistringa alla rete elettrica. Si sono quindi studiati gli algoritmi di controllo di questa tipologia di inverter e sono state proposte soluzioni ad alcune delle più importanti problematiche incontrate in fase di sviluppo.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Nonlinear Control of Magnetically Actuated Spacecraft

The topic of this thesis is the feedback stabilization of the attitude of magnetically actuated spacecraft. The use of magnetic coils is an attractive solution for the generation of control torques on small satellites flying inclined low Earth orbits, since magnetic control systems are characterized by reduced weight and cost, higher reliability, and require less power with respect to other kinds of actuators. At the same time, the possibility of smooth modulation of control torques reduces coupling of the attitude control system with flexible modes, thus preserving pointing precision with respect to the case when pulse-modulated thrusters are used. The principle based on the interaction between the Earth's magnetic field and the magnetic field generated by the set of coils introduces an inherent nonlinearity, because control torques can be delivered only in a plane that is orthogonal to the direction of the geomagnetic field vector. In other words, the system is underactuated, because the rotational degrees of freedom of the spacecraft, modeled as a rigid body, exceed the number of independent control actions. The solution of the control issue for underactuated spacecraft is also interesting in the case of actuator failure, e.g. after the loss of a reaction-wheel in a three-axes stabilized spacecraft with no redundancy. The application of well known control strategies is no longer possible in this case for both regulation and tracking, so that new methods have been suggested for tackling this particular problem. The main contribution of this thesis is to propose continuous time-varying controllers that globally stabilize the attitude of a spacecraft, when magneto-torquers alone are used and when a momentum-wheel supports magnetic control in order to overcome the inherent underactuation. A kinematic maneuver planning scheme, stability analyses, and detailed simulation results are also provided, with new theoretical developments and particular attention toward application considerations.

Nonlinear Observers for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors

In this thesis, the industrial application of control a Permanent Magnet Synchronous Motor in a sensorless configuration has been faced, and in particular the task of estimating the unknown “parameters” necessary for the application of standard motor control algorithms. In literature several techniques have been proposed to cope with this task, among them the technique based on model-based nonlinear observer has been followed. The hypothesis of neglecting the mechanical dynamics from the motor model has been applied due to practical and physical considerations, therefore only the electromagnetic dynamics has been used for the observers design. First observer proposed is based on stator currents and Stator Flux dynamics described in a generic rotating reference frame. Stator flux dynamics are known apart their initial conditions which are estimated, with speed that is also unknown, through the use of the Adaptive Theory. The second observer proposed is based on stator currents and Rotor Flux dynamics described in a self-aligning reference frame. Rotor flux dynamics are described in the stationary reference frame exploiting polar coordinates instead of classical Cartesian coordinates, by means the estimation of amplitude and speed of the rotor flux. The stability proof is derived in a Singular Perturbation Framework, which allows for the use the current estimation errors as a measure of rotor flux estimation errors. The stability properties has been derived using a specific theory for systems with time scale separation, which guarantees a semi-global practical stability. For the two observer ideal simulations and real simulations have been performed to prove the effectiveness of the observers proposed, real simulations on which the effects of the Inverter nonlinearities have been introduced, showing the already known problems of the model-based observers for low speed applications.

Supernova-Detektion mit dem IceCube-Neutrinoteleskop

IceCube, ein Neutrinoteleskop, welches zur Zeit am Südpol aufgebaut und voraussichtlich 2011 fertiggestellt sein wird, kann galaktische Kernkollaps-Supernovae mit hoher Signifikanz und unübertroffener statistischer Genauigkeit der Neutrinolichtkurve detektieren. Derartige Supernovae werden begleitet von einem massiven Ausbruch niederenergetischer Neutrinos aller Flavour. Beim Durchfliegen des Detektormediums Eis entstehen Positronen und Elektronen, welche wiederum lokale Tscherenkowlichtschauer produzieren, die in ihrer Summe das gesamte Eis erleuchten. Ein Nachweis ist somit, trotz der Optimierung IceCubes auf hochenergetische Teilchenspuren, über eine kollektive Rauschratenerhöhung aller optischen Module möglich. Die vorwiegende Reaktion ist der inverse Betazerfall der Antielektronneutrinos, welcher über 90,% des gesamten Signals ausmacht.rnrnDiese Arbeit beschreibt die Implementierung und Funktionsweise der Supernova-Datennahme-Software sowie der Echtzeitanalyse, mit welcher die oben genannte Nachweismethode seit August 2007 realisiert ist. Die Messdaten der ersten zwei Jahre wurden ausgewertet und belegen ein extrem stabiles Verhalten des Detektors insgesamt sowie fast aller Lichtsensoren, die eine gemittelte Ausfallquote von lediglich 0,3,% aufweisen. Eine Simulation der Detektorantwort nach zwei unterschiedlichen Supernova-Modellen ergibt eine Sichtweite IceCubes, die im besten Falle bis zur 51,kpc entfernten Großen Magellanschen Wolke reicht. Leider ist der Detektor nicht in der Lage, die Deleptonisierungsspitze aufzulösen, denn Oszillationen der Neutrinoflavour innerhalb des Sterns modifizieren die Neutrinospektren ungünstig. Jedoch können modellunabhängig anhand des frühesten Signalanstiegs die inverse Massenhierarchie sowie $sin^2 2theta_{13} > 10^{-3}$ etabliert werden, falls die Entfernung zur Supernova $leq$,6,kpc beträgt. Gleiches kann durch Auswertung eines möglichen Einflusses der Erdmaterie auf die Neutrinooszillation mit Hilfe der Messung eines zweiten Neutrinodetektors erreicht werden.

Progettazione e collaudo di un ballast elettronico per lampade a scarica hid

Nell'elaborato svolto viene presentato un ballast elettronico destinato ad applicazioni di illuminazione stradale. L'alimentatore deve sostituire il tradizionale reattore elettromagnetico attualmente montato sui lampioni, deve poter alimentare lampade HID fino a 150 W, deve soddisfare le più stringenti normative di futura approvazione, deve garantire ulteriori servizi aggiuntivi legati sia al migliore sfruttamento della lampada che a eventuali esigenze legate all'innovativo concetto di palo intelligente (alimentazioni ausiliarie e strategie di risparmio energetico).

Studio e ottimizzazione della ipersostentazione del velivolo V-173

Studio della ipersostentazione di un velivolo non convenzionale degli anni ‘40, il Vought V-173 Flying Pancake. Per realizzare l’intero lavoro si sono adoperati dei software di fluidodinamica computazionale come Flow Simulation di SolidWorks e il programma JavaFoil, inoltre, si è scelto l’ambiente Matlab di supporto ai calcoli e per rappresentare i risultati ottenuti a seguito delle simulazioni, realizzando script e funzioni per l’approssimazione di questi e la loro successiva raffigurazione grafica. In particolar modo, a partire dal modello tridimensionale in SolidWorks del V-173 si sono ricreate le curve CL-α e CD-α a partire dai punti ottenuti dalle simulazioni per diverse configurazioni del velivolo. In una prima fase si è valutata l’aerodinamica del velivolo ‘pulito’ senza la presenza delle eliche e di ipersostentatori, successivamente si sono seguite due strade diverse per valutare il comportamento del velivolo: nel primo caso si sono eseguiti studi dell’aerodinamica del Pancake in presenza degli ipersostentatori già presenti sul velivolo (i plain flap), proponendo soluzioni alternative per migliorare l’ipersostentazione del V-173 tramite spillamenti (slots) e diverse configurazioni di vortex generator che energizzassero lo strato limite e ottimizzassero le prestazioni del velivolo con particolare attenzione alla fase di atterraggio. In secondo luogo, tenendo in considerazione che il Pancake è un aeroplano bielica, si è voluta studiare l’influenza delle due eliche sulla sua aerodinamica: dopo aver riprodotto nel modo più verosimile entrambe le eliche utilizzando SolidWorks si è fatto uno studio di massima ricavando risultati che potessero indicare la compatibilità tra elica e velivolo a seguito dei risultati sperimentali ottenuti con Flow Simulation.

Studio sul convertitore elettronico per il pilotaggio di motori asincroni trifase

La semplicità, affidabilità, robustezza ed economicità del motore asincrono trifase ne fanno un motore largamente utilizzato sia in ambiente industriale che civile (pompe, ascensori, montacarichi, nastri trasportatori, ventilatori, locomotive ferroviarie, …). È ipotizzabile che in futuro vi sarà sempre più largo impiego di motori elettrici e i recenti sviluppi nella tecnologia dei convertitori elettronici per il controllo dei motori asincroni ne consentiranno l’uso in sempre più estesi ambiti applicativi. La messa sotto tensione di motori a media/alta potenza presenta però, in fase di avviamento, correnti di spunto e coppie elevate che devono essere controllate. In questa tesi saranno pertanto studiate le tecniche di protezione, avviamento e controllo dei motori asincroni trifase Nel primo capitolo esamineremo le funzioni di sezionamento, comando e protezione da cortocircuiti e sovraccarichi e i dispositivi adatti a svolgere tale compito in modo coordinato. Nel secondo capitolo esamineremo le principali tecnologie usate per l’avviamento dei motori, da quelle più semplici a quelle che impiegano dispositivi elettronici allo stato solido: Soft-Starters a tiristori (solo regolazione AC), Inverters a transistori (controllo sia in frequenza che ampiezza della forma d’onda AC generata). Fra tutti i possibili convertitori DC/AC analizzeremo dettagliatamente esclusivamente quelli a controllo PWM analogico che costituiranno l’oggetto della trattazione dei capitoli seguenti.

Dynamics and control issues of multi-rotor platforms

This thesis deals with the analytic study of dynamics of Multi--Rotor Unmanned Aerial Vehicles. It is conceived to give a set of mathematical instruments apt to the theoretical study and design of these flying machines. The entire work is organized in analogy with classical academic texts about airplane flight dynamics. First, the non--linear equations of motion are defined and all the external actions are modeled, with particular attention to rotors aerodynamics. All the equations are provided in a form, and with personal expedients, to be directly exploitable in a simulation environment. This has requited an answer to questions like the trim of such mathematical systems. All the treatment is developed aiming at the description of different multi--rotor configurations. Then, the linearized equations of motion are derived. The computation of the stability and control derivatives of the linear model is carried out. The study of static and dynamic stability characteristics is, thus, addressed, showing the influence of the various geometric and aerodynamic parameters of the machine and in particular of the rotors. All the theoretic results are finally utilized in two interesting cases. One concerns the design of control systems for attitude stabilization. The linear model permits the tuning of linear controllers gains and the non--linear model allows the numerical testing. The other case is the study of the performances of an innovative configuration of quad--rotor aircraft. With the non--linear model the feasibility of maneuvers impossible for a traditional quad--rotor is assessed. The linear model is applied to the controllability analysis of such an aircraft in case of actuator block.

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.

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.

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.

Studio di un circuito ad alta efficienza in un apparato per terapie diatermiche

Il lavoro presentato di seguito è volto al miglioramento delle prestazioni dell'apparato per la Tecar terapia prodotto da EME.srl. Tale apparato presenta, allo stato attuale, un sistema basato principalmente su circuiti a componenti attivi operanti in regione lineare che producono una oscillazione a 455kHz, la amplificano e infine la adattano alle caratteristiche richieste per tale apparato. Ampiezza dell'oscillazione e corrente sul carico (paziente) vengono controllate mediante un doppio sistema di retroazione: uno analogico e uno basato su microcontrollore. Entrambi i sistemi lavorano sui valori medi di tensione e corrente. Lo scopo di tale elaborato è quello di migliorare tale apparato rendendo possibile il controllo di nuovi parametri, come la frequenza di oscillazione cosa non possibile nell'attuale implementazione. Si valuterà, nell'ambito dell'attività di tesi, se mantenere l'idea costruttiva originale in cui si aveva un oscillatore autonomo con una cascata di amplificazione a efficienza non elevatissima, retroazionato analogicamente e un controllo mediante uC, oppure passare ad una nuova architettura totalmente gestita da uC sfruttando topologie utilizzate in altri macchinari di EME.srl con l'aggiunta di soluzioni tratte dal mondo delle energie rinnovabili. Per lo studio di tale apparato verrà effettuata inoltre una caratterizzazione sperimentale del corpo umano utilizzando la mano di un soggetto volontario per avere un carico campione realistico e cercando ulteriori riscontri in letteratura.

Analisi e realizzazione di un convertitore multilivello ad alta efficienza per applicazioni fotovoltaiche

Nei primi vent’anni, la ricerca in ambito fotovoltaico si è focalizzata sull’evoluzione di quelle tecnologie associate alla semplice cella ed al sistema intero, per offrire miglioramenti con particolare riguardo al fronte dell’efficienza. Negli ultimi decenni, lo studio sull’energia rinnovabile ha ampliato i propri confini, sino a quella branca denominata elettronica di potenza, che ne permette la conversione e lo sfruttamento da parte dell’utente. L’elaborato si propone quindi di apportare un contributo verso tale direzione, teorico piuttosto che pratico, esaminando dapprima il mondo che effettivamente circonda l’impianto fotovoltaico grid-connected e successivamente ponderando e pianificando le scelte che conseguono dall’analisi letteraria. Particolare attenzione sarà rivolta al concetto di multilivello relativo agli inverter e agli aspetti che ne comportano il largo utilizzo nell’elettronica di potenza. Si stima che i primi brevetti risalgano a circa trent’anni orsono e uno di questi, tracciabile, riguarderebbe la configurazione a cascata di full-bridge, alimentati separatamente in DC, per ottenere a valle una scala di tensioni AC. Per mezzo di manipolazioni, nascerà in seguito il diode-clamped, attuale predecessore del Neutral Point Clamped T-Type Inverter. Si introdurranno pertanto le principali caratteristiche che contraddistinguono il convertitore, peculiare riguardo per la configurazione single leg nonché trifase. Ardua sarà la scelta sulla tecnica di controllo dell’inverter, sia per quanto concerne la fase simulativa che quella realizzativa, in quanto il dispositivo è indubbiamente considerato innovativo nel proprio campo di appartenenza. Convalidando la letteratura per mezzo di opportune simulazioni, si potrà procedere alla progettazione e quindi all’assemblaggio della scheda che effettivamente include l’inverter. Il lavoro implicherà numerose prove, effettuate in svariate condizioni di funzionamento, al fine di sostenere le conclusioni teoriche.

Inverters multilivello per il pilotaggio di motori asincroni trifase

In questo lavoro di laurea si presentano le varie famiglie di convertitori multilivello MMC (Modular Multilevel Converter). Questi convertitori sono di ausilio per il condizionamento dei parametri di reti elettriche in media e alta tensione e possono anche essere convenientemente utilizzati nel pilotaggio di motori asincroni trifase. Dopo aver esplicitato i principi di funzionamento, presentato i dispositivi di commutazione, le tipologie conosciute e le rispettive principali tecniche di modulazione, si è presentato il motore asincrono trifase, il suo circuito equivalente e le problematiche di accoppiamento ad un inverter. Successivamente si è simulato un inverter multilivello di tipo Diode-Clamped, con modulazione analogica PWM multiportante, che aziona un motore asincrono commerciale, così da poterne verificare le prestazioni in diversi regimi di velocità.