Corso di laurea: Electrical Engineering for Sustainable Green Energy Transition Programmazione per l'A.A. 2022/2023

Il corso ha l’obiettivo di trasferire agli allievi ingegneri elettrici i concetti principali relativi alle problematiche delle misure e delle misurazioni con dispositivi elettrici ed elettronici.

Verranno affrontati argomenti riguardanti la metrologia, la definizione ed il trattamento delle incertezze di misura,le metodologie principali per l’esecuzioni di misurazioni, la strumentazione elettronica analogica e numerica.

Si parlerà infine di problematiche attuali nel settore delle misure elettriche quali “misure in regime deformato” e “smart grid”.

Nell’ambito del corso è prevista una intensa attività sperimentale in laboratorio volta a fornire competenze sull’uso della strumentazione e dei principali strumenti informatici per la gestione della strumentazione.



Programma

Parte I: Generalità e Cenni di metrologia

Schema generale di un sistema di misura, Grandezze interferenti e modificanti. Cenni di metrologia (Norme UNI-4546), Taratura di un sistema di misura.

Propagazione dell’incertezza nelle misurazioni indirette con approccio statistico e deterministico.

Parte II: Gli strumenti di misura analogici (cenni)

Gli strumenti di misura elettromeccanici: Amperometro e voltmetro. L’oscilloscopio analogico: Schema a blocchi funzionali, La sezione verticale, La sezione orizzontale, La sezione di trigger, Base dei tempi principale e base dei tempi ritardata. Misurazioni tipiche con l’oscilloscopio.

Parte III: Gli strumenti di misura numerici

Cenni su Campionamento e quantizzazione di un segnale analogico. La conversione Analogico numerica. Contatori e frequenzimetri numerici. Voltmetri elettronici numerici a singola rampa, voltmetri a doppia rampa, voltmetri a conversione tensione-frequenza. L’oscilloscopio numerico, strategie di campionamento (sequenziale, casuale) e di gestione dei convertitori ADC. Elaborazione negli strumenti numerici (medie e filtri). Valutazione dei bit efficaci. Analizzatori di spettro numerici.

Parte IV: Metodi di misura

Metodi di misura indiretti: Il metodo volt-ampero-wattmetrico. Misure sui sistemi trifase. Misure nel dominio della frequenza,

Parte V: Problematiche avanzate nelle misure elettriche (cenni)

Misure in regime di 50 Hz deformato, Smart grid.

Esercitazioni e Laboratorio

Attività sperimentale relativa alla realizzazione di un sistema di misura su sistemi trifase. Sistemi automatici di misura con il tool software LabView.

Lucidi e materiale didattico fornito dal Docente
Norme UNI 4546, Guida per la valutazione dell’incertezza nelle misurazioni.
J.J. Carr, Elements of electronic instrumentation and measurements, Prentice Hall, 1996.
Zingales, Misure Elettriche, UTET.
E.O. Doebelin, Strumenti e Metodi Di Misura - MCGRAW-HILL - Ed 2008

1. Introduzione all’elettronica eElettronica dello
stato solido:Materiali
dell’elettronica allo stato solido. Modello a legame covalente. Concentrazione
intrinseca dei portatori. Legge dell’azione di massa. *Correnti di deriva e
mobilità nei semiconduttori. Saturazione della velocità di deriva. Resistività
del silicio intrinseco. *Semiconduttori drogati. Concentrazione di elettroni e
lacune nei semiconduttori drogati. *Corrente di diffusione. *Corrente totale in
un semiconduttore. Modello a bande di energia.

2.
Diodi a stato solido
e circuiti a diodi:Diodo a
giunzione. *Caratteristica I/V del diodo. *Diodo in polarizzazione inversa,
nulla e diretta. Coefficiente di temperatura del diodo. *Breakdown e diodo Zener.
Capacità del diodo in polarizzazione diretta ed inversa. Diodo in commutazione.
Modello per ampio segnale. *Analisi di circuiti a diodi. Analisi grafica con
retta di carico. Analisi con il modello matematico del diodo (resistenza di
piccolo segnale). *Analisi a caduta di tensione constante. Circuiti a più
diodi. *Raddrizzatore a semionda con carico R, C ed RC (Filtro capacitivo).
Raddrizzatore a doppia semionda ed a ponte. *Regolatore di tensione con diodo
Zener. Fotodiodi, diodi Schottky, celle solari e diodi emettitori di luce.

3. Transistori ad effetto
di campo:Il
condensatore MOS. Regione di accumulazione. Regione di svuotamento. Regione di
inversione. MOSFET a canale n (NMOS). *Analisi qualitativa del comportamento
i-v del transistore NMOS. *Regione di triodo del transistore NMOS. Resistenza
di conduzione. Regione di saturazione del transistore NMOS. *Modello matematico
della regione di saturazione. Transconduttanza in saturazione. Modulazione
della lunghezza di canale. Effetto body. MOSFET a canale p (PMOS). Simboli
circuitali del MOSFET. Capacità del transistore NMOS nella regione di triodo.
Capacità nella regione di saturazione. Capacità nella regione di interdizione.
*Polarizzazione del MOSFET. *Polarizzazione con rete a 4 resistori. Analisi
basata sul metodo della retta di carico.

4. I circuiti digitali:Porte logiche ideali. *Definizione dei livelli
logici e dei margini di rumore. Livelli logici. Margini di rumore. Criteri di
progetto per una porta logica. Risposta dinamica di una porta logica. *Tempi di
salita e di discesa. *Ritardo di propagazione. Prodotto ritardo-potenza.
Richiami di algebra booleana. Circuiti logici CMOS. *Caratteristiche statiche
dell’invertitore CMOS. Caratteristica di trasferimento dell’invertitore CMOS.
*Porte logiche NOR e NAND CMOS, Porte logiche CMOS complesse. Circuiti di buffer.
Ritardo di un circuito disaccoppiatore (buffer). Numero ottimo di stadi. Latch bistabile. *Flip-flop SR. *Flip-flop JK. *Flip-flop T. Flip-Flop race condition. Il latch di tipo D a porte di trasmissione.
*Flip-flop master-slave. *Flip-Flop edge-triggered. Registri e contatori.
Memorie ad accesso casuale (RAM). *La cella di memoria a sei transistori (6-T).
Memorie dinamiche (DRAM). *La cella di memoria a un transistore. Memorie a sola
lettura (ROM). Memorie non volatili (EEPROM). *Memorie flash.

5. Amplificatori operazionali:Esempio di sistema elettronico analogico.
Amplificazione. Guadagni di tensione, di corrente e di potenza. Rappresentazione
del guadagno in decibel. L’amplificatore differenziale. Caratteristica di
trasferimento di tensione dell’amplificatore differenziale. Guadagno (di
tensione) differenziale. Amplificazione dei segnali. Modello dell’amplificatore
differenziale. L’amplificatore operazionale ideale. *Ipotesi per l’analisi degli
amplificatori operazionali ideali. *L’amplificatore invertente. *L’amplificatore di
transresistenza. *L’amplificatore non invertente. *L’amplificatore a guadagno
unitario o inseguitore di tensione (Buffer). *Amplificatore sommatore.
*Amplificatore sottrattore. Filtri attivi passa-basso e bassa-alto.
*Integratore. *Derivatore. Nonidealità. Guadagno di modo comune. CMRR.
Resistenze di ingresso e di uscita. Offset. Prodotto banda-guadagno. Slew rate.

6. Modelli di piccolo
segnale e amplificatori a singolo stadio:Il transistore come amplificatore. Condensatori di accoppiamento e di
bypass. Utilizzo dei circuiti equivalenti DC e AC. *Modello per piccolo segnale
del diodo. *Modello per piccolo segnale del transistore ad effetto di campo.
*Guadagno di tensione intrinseco del MOSFET. *L’amplificatore a source comune
(CS) (guadagno di tensione a centro banda, resistenze di ingresso e di uscita).
Dissipazione di potenza ed escursione del segnale. Classificazione degli
amplificatori. *Applicazione e prelievo del segnale (configurazioni CS, CD, CG).
*Configurazione CS con resistenza di degenerazione. Amplificatori multistadio
accoppiati in AC.

7. Risposta in
frequenza:*Risposta in
frequenza degli amplificatori, guadagno a centro banda, frequenza di taglio
inferiore (fL), frequenza di taglio superiore (fH). *Stima della frequenza di taglio inferiore con
il metodo delle costanti di tempo in cortocircuito. Stima della frequenza di
taglio inferiore per le configurazioni di amplificatore CS, CG, CD. *Modello in
alta frequenza per il MOSFET. *Frequenza di transizionefT. Dipendenza difTdalla
lunghezza di canale. *Analisi ad alta frequenza dell’amplificatore source
comune. *L’effetto Miller. *Stima della frequenza di taglio superiore con il
metodo delle costanti di tempo a circuito aperto. Risposta in frequenza di un
amplificatore CS.

8.
Transistori bipolari:Nozioni di base sul transistore bipolare.

1. Jaeger-Blalock, Microelettronica Ed. Mc-Graw-Hill, V Edizione.

2. Sedra - Smith, Microelettronic circuits, Oxford
Univerity press.





Altro materiale didattico

Il materiale messo a disposizione è costituito da: lucidi delle lezioni,
articoli di approfondimento, datasheets, e altro. Esso è disponibile sulla
Piattaforma Studium (http://studium.unict.it)

1. Campi elettromagneticiEquazioni di Maxwell in forma differenziale ed in forma integrale. Campo di densità di correntestazionario, potenziale scalare elettrico, equazione di Laplace, condizioni al contorno di tipo Dirichlet eNeumann. Campo elettrostatico, equazione di Poisson. Campo magnetostatico, potenziale vettoremagnetico. Campo elettromagnetico quasi-stazionario, problemi di correnti indotte e di effetto pelle.Metodi numerici per il calcolo di campi elettromagnetici. Il metodo delle differenze finite (FDM),postprocessamento FDM. Il metodo degli elementi finiti (FEM). Formulazione variazionale per l’equazionescalare di Poisson in 2D. Elementi triangolari del primo ordine, funzioni di forma, coordinate locali,triangolo standard. Matrici di Dirichlet e di metrica per un elemento finito. Condizioni al contorno di tipoDirichlet, Neumann e misto. Costruzione del sistema risolvente e sua risoluzione. Valutazione di quantitàintegrali (flussi, energie, forze). Elementi triangolari di ordine superiore. Formule di integrazione neltriangolo standard. Matrici universali in forma razionale. Elementi triangolari a lati curvi. Elementiquadrangolari. Quadratura di Gauss per domini triangolari e quadrangolari. Elementi tetraedrali edesaedrali. Elementi finiti vettoriali di tipo edge.Funzione di Green per l’equazione di Poisson. Formule di Green. Il metodo degli elementi di contorno(BEM). Integrazione di funzioni singolari. Metodi ibridi: FEM-BEM e FEM-DBCI (Dirichlet BoundaryCondition Iteration).2. Linee di trasmissioneCircuiti a parametri distribuiti. Parametri di una linea bifilare. Equazioni dei telegrafisti in regimesinusoidale. Onda progressiva e regressiva. Costante di propagazione, costante di attenuazione, costantedi fase, impedenza caratteristica. Coefficiente di riflessione, linea adattata. Bilancio energetico. Linee aλ/2 e a λ/4. Linee prive di perdite, rapporto d’onda stazionario (ROS). Analisi nel dominio del tempo e diLaplace. Linee multiconduttore.3. Filtri elettrici.Funzione caratteristica di un filtro. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda ed arersta banda.Trasformazioni di frequenza; filtro passa-basso di riferimento. Approssimazioni di Butterworth e diChebyshev. Sintesi di filtri a scala LC. Filtri attivi del primo e del secondo ordine. Cella biquadratica. Filtridi Sallen-Key. Filtri a retroazione negativa. Esempi di progetto.4. Teoria delle antennePrincipali tipi di antenne e loro caratteristiche. Antenne a dipolo elettrico ed a dipolo magnetico.Parametri di un’antenna trasmittente: diagramma di radiazione, resistenza di radiazione, lunghezzaefficace, funzioni di direttività e di guadagno. Parametri di un’antenna ricevente: area efficace, fattori diadattamento di potenza e di polarizzazione, fattore di antenna. Antenna a dipolo a λ/2 ed antennaunipolare a λ/4. Schiere di antenne.

TESTI DI RIFERIMENTO1. P. P. Silvester, R. L. Ferrari: “Finite elements for electrical engineers”, 3rd edition, Cambridge University Press, 2003.2. S. Alfonzetti: " Dispense del corso sui metodi numerici".3. R. Schaumann, M. E. Van Valkenburg: "Design of analog filters". OUP, New York, 2001.4. Wai-Kai Chen: " Passive, Active and Digital Filters. Taylor&Francis.5. Clayton R. Paul: " Analysis of Multiconductor Lines". Wiley.6. G. Miano, A. Maffucci: " Transmission Lines and Lumped Circuits". Academic Press.7. G. Franceschetti: " Electromagnetics: theory, techniques and engineering paradigms". PlenumPress, New York, 1997.8. S. Ramo, J. R. Whinnery, T. Van Duzer: "Fields and waves in communication electronics", 3rdedition, 1977.ALTRO MATERIALE DIDATTICOhttp://studium.unict.it/dokeos/2021/

Modulo ELECTRIC POWER PRODUCTION AND TRANSMISSION

1. Introduction to power systems

2. Method in per unit applied to power systems

3. Models of electrical loads

4. Model of synchronous generators

5. Transmission line parameters: inductance, capacitance, resistance and conductance

6. Transmission line: Sinusoidal AC steady state operation

7. Power system analysis: load flow and sensitivity analysis

8. Voltage regulation

9. Frequency regulation

10. Transient stability

11. Programmable power plants: Hydro and thermo

I materiali didattici sono risorse che il professore utilizza per aiutare gli studenti a raggiungere i risultati di apprendimento del corso. Nello specifico vengono utilizzati i seguenti materiali:1) Libri di riferimento (vedi elenco sotto).2) Appunti delle lezioni (forniti dal docente).3) Presentazioni PowerPoint (fornite dal docente).

1. Introduzione all'economia dei sistemi di potenza2. Elementi di microeconomia: introduzione3. Elementi di microeconomia: teoria del consumatore4. Elementi di microeconomia: funzione di produzione5. Costi di produzione delle centrali termoelettriche6. Elementi di microeconomia: curva di offerta7. Dispacciamento economico e flusso di potenza ottimale8. Impatto della rete sull'equilibrio del mercato9. mercato centralizzato e perdite10. Elementi di microeconomia: monopolio11. Elementi di microeconomia: l'oligopolio12. Teoria dei giochi e modelli di duopolio13. Offerta strategica e mercato dell'energia14. Architettura dei mercati elettrici15. I mercati elettrici in Italia16. I mercati dell'energia: MGP e infragiornaliero17. Mercati dei servizi ausiliari: ex ante e bilanciamento18: I mercati e la bolletta dell'energia elettrica

I materiali didattici sono risorse che il professore utilizza per aiutare gli studenti a raggiungere i risultati di apprendimento del corso. Nello specifico vengono utilizzati i seguenti materiali:1) Libri di riferimento (vedi elenco sotto).2) Appunti delle lezioni (forniti dal docente).3) Presentazioni PowerPoint (fornite dal docente).

Sistemi ad eventi discreti (DES). Rappresentazione di DES utilizzando le Reti di Petri. Analisi delle Reti di Petri. Il controllo di DES utilizzando l’approccio dei Posti Monitor. Controllo continuo e logico. Controllori logici programmabili (PLC): architettura di un PLC, moduli di I/O. Moduli di I/O speciali. Moduli per la programmazione dei PLC, moduli di funzioni speciali. Linguaggi di programmazione PLC. Linguaggi grafici e Testuali dello standard IEC 61131-3. Linguaggi grafici: ladder diagrams (LD), Functional Block Diadrams (FBD), Sequential Functional Charts (SFC). Linguaggi Testuali: Instruction List (IL) Strucured Text (ST): Elementi di base, istruzioni per i tempi e il conteggio. Regole di evoluzione Strutture per controllare il flusso del programma Esempi di regole di evoluzione. Strutture per controllare il flusso del programma. Esempi di programmazione. Reti di computer. Modello OSI, topologie di rete, metodi di accesso al bus media di trasmissione: standard tradizionali: media bus token Ethernet, metodi di accesso al bus: standard tradizionali: Ethernet, bus token, token ring. Reti di computer per l'automazione. Sistemi di supervisione e acquisizione dati (SCADA). Moduli di un sistema SCADA: modulo database, modulo di comunicazione, modulo di interfaccia operatore, modulo di gestione allarmi, modulo di gestione ricette, modulo di supporto manutenzione, modulo sistema esperto.

Handbook of Industrial Automation, Ed. Marcel Dekker, 2000.
Hassen D.H., Programmable Logic Controllers - A practical approach to IEC 61131-3 Using Codesys, Wiley, 2015.
Bolton, Programmable Logic Controllers, 5th edition, Elsevier, 2009
Slides delle lezioni

Topic 1: Fundamentals of Electric Circuits (review)


Phasor theory
Three-phase circuits
Real, reactive and complex power


Topic 2: Magnetic Circuits and Magnetic Materials


Flux Linkage, Inductance and Energy
Electromechanical- Energy-Conversion Principles
Heating


Topic 3: Transformers


Single phase and three-phase transformer
Principles of operation
Steady-state equivalent circuits
No-load and short-circuit condition


Topic 4: Introduction to Rotating Machines


Principles of operation and steady-state equivalent circuits of a dc machine
Speed-Torque characteristics of a separately excited dc machine
Space-phasor theory: the dq0 transformation
Rotating magnetic field


Topic 5: AC Machines


Principles of operation and steady-state equivalent circuits of a synchronous machine
Theory and models of synchronous machine with and without saturation: Behn-Eshemburg, Potier, qd axes, Arnold-Blondel
Capability curves of a synchronous machine
Principles of operation and steady-state equivalent circuits of an induction machine
Speed-Torque characteristics of an induction machine
Model of synchronous and induction machines in qd0 reference frame
Torque equations

Electric Machineryby A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, Jr., S. D. Umans. , 7th Edition, McGraw-Hill, 2013
Electric Machinery Fundamentalsby Stephen J. Chapman, 4thEdition, McGraw-Hill, 2005
Macchine Elettricheby E. Chiricozzi, A. Ometto, Aracne, 2017
Analysis of electric machineryby P.C. Krause, Mc Graw Hill, 1986
Electrical Machines voll. l e 2by M. Kostenko, L. Piotrovski, MIR Mosca libreria Italia-URSS
Macchine Elettricheby A. Consoli, Notes
Slides presented at the lessons

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica.
Requisiti di compatibilità elettromagnetica per sistemi elettronici.

Richiami di elettromagnetismo.
Teoria dei campi elettromagnetici. Linee di trasmissione. Antenne. Introduzione al metodo degli elementi finiti.

Applicazioni alla progettazione con vincoli di compatibilità elettromagnetica.
Comportamento non ideale dei componenti. Spettri dei segnali. Emissioni irradiate e suscettività. Emissioni condotte e suscettività. La diafonia. Schermature. Scariche elettrostatiche. Progetto di sistemi elettromagneticamente compatibili.

Esercitazioni.
Esercitazioni di calcolo numerico. Prove di laboratorio.

Paul Clayton R., Introduction to ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY 2nd ed.,WILEY.Paul Clayton R., COMPATIBILITA' ELETTROMAGNETICA, HOEPLI Ed.
Materiale didattico fornito dal docente (disponibile su Studium).

Unità 1. Sistemi Automatici di Misura

*I Sistemi Automatici di Misura, *LabVIEW.

Unità 2. I Trasduttori

Sensori di movimento (*estensimetri, sensori capacitivi, sensori induttivi, *LVDT), *termistori.
Sensori generanti: *termocoppie e *sensori piezoelettrici.
*Sensori sismici ed *encoders.

Unità 3. Sistemi di Sensing Intelligenti

Sensori intelligenti e reti di sensori wireless.
MEMS e power harvesting.

Unità 4. Circuiti di Condizionamento

*Il ponte di Wheatstone a deflessione, il ponte di Wheatstone linearizzato, *l'amplificatore di misura.

Unità 5. Il Software per la connessione degli strumenti (cenni)

I sistemi di acquisizione dati, Interfacce seriali e parallele:RS-232, USB, *IEEE488, VME, VXI.

(*) Competenze minime per il superamento dell'esame finale.

Unità 6. Laboratorio

1) E. O. Doebelin, Strumenti e metodi di misura, McGraw-Hill

2) E. O. Doebelin, Measurement systems, McGraw-Hill

3) Ramon Pallàs-Areny John G.Webster, Sensors and Signal Conditioning, Wiley Inter-Science

4) Materiale e manuali forniti dal docente

Introduction to Power Electronics. Classification of converters. Semiconductors. Solid state devices for static power converters (diode, BJT, MOSFET, IGBT, Thyristors, GTO). Static characteristics and switching behavior. Thermal behavior. Multiple connection of power devices. Driving circuits and protection circuit. Static converters.Unidirectional and bidirectional converters. Methods of analysis of the converters. Main families of static converters for electrical conversion and for applications to electric systems. Single stage and multistage converters. Outline of resonant converters. Inductors and transformers. Magnetic materials and ferrites, power losses. Copper windings, power losses due to both skin and proximity effects. Calculation of the steady-state temperature.Examples of power converterapplications:home appliance,industrial, automotive,power grids, andhigh voltage transmission. Line-frequency converters with 12 pulses. Control of HVDC converters.

1) Ned Mohan, Tore M. Undeland. William P. Robbins, "Power Electronics: Converters, Applications, and Design". 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, November 2002.

2) Ned Mohan, Tore M. Undeland. William P. Robbins, “Elettronica di potenza: Convertitori e applicazioni”. Edizione italiana di Power Electronics 3rd Edition, Editore Hoepli, Milano, febbraio 2005.

3) Daniel W. Hart, “Power Electronics”, McGraw-Hill Education, January 2010.

4) Notes from the lectures.

Notes from the lectures onhttp://studium.unict.it/dokeos/2021/