Il gruppo di ricerca opera nel campo dei convertitori elettronici di potenza e degli azionamenti elettrici ad alte prestazioni, sviluppando soluzioni innovative per applicazioni industriali, di mobilità elettrica, per macchine ad alta velocità e per la produzione di energia da fonti rinnovabili come fotovoltaico ed eolico.
Le competenze del gruppo spaziano dall’analisi e progettazione dei circuiti di conversione, alla realizzazione e sperimentazione di prototipi, fino allo sviluppo di strategie di controllo digitale e algoritmi avanzati di diagnostica e tolleranza ai guasti.
Convertitori elettronici di potenza
Le attività coprono un ampio spettro di tipologie di conversione — DC-DC, DC-AC, AC-DC e AC-AC — includendo sia configurazioni tradizionali sia architetture innovative come convertitori multilivello, multifase, a matrice, back-to-back, dual two-level, risonanti e soft-switching.
L’obiettivo è ottenere elevata efficienza, compattezza e affidabilità, rispondendo alle esigenze dei sistemi moderni ad alta densità di potenza.
Particolare attenzione è dedicata ai convertitori basati su semiconduttori Wide Band Gap (SiC e GaN), che consentono frequenze di commutazione elevate, minori perdite e riduzione delle dimensioni dei componenti passivi. Tali dispositivi sono impiegati nello sviluppo di convertitori T-NPC, E-NPC e Modular Multilevel Converter (MMC), in configurazione sia trifase che multifase.
Il gruppo è inoltre attivo nello sviluppo di soluzioni per il condizionamento della potenza basate su convertitori Active Front End (AFE), impiegati per la compensazione di carichi pulsanti, la mitigazione di armoniche e disturbi transitori, e il controllo dinamico della potenza reattiva, contribuendo al miglioramento della qualità dell’energia elettrica e alla stabilità complessiva del sistema.
Azionamenti elettrici
Il gruppo progetta e realizza azionamenti elettrici a velocità variabile per macchine DC, asincrone, sincrone a magneti permanenti (SPMSM e IPM) e multifase.
In particolare, vengono sviluppati azionamenti per macchine ad alta e altissima velocità (fino a 100 000 rpm), con strategie di indebolimento di campo e compensazione dei ritardi per garantire stabilità, precisione e massima efficienza anche in condizioni critiche di funzionamento.
Il gruppo ha inoltre maturato competenze avanzate nel controllo sensorless (senza sensori di posizione) e nel controllo fault-tolerant, per garantire la continuità operativa anche in presenza di guasti.
Tra i guasti studiati e diagnosticati rientrano: l’open-phase fault e open-switch fault nei convertitori, la smagnetizzazione parziale o localizzata dei magneti permanenti, i cortocircuiti inter-spira negli avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone e i guasti nelle barre rotoriche delle macchine asincrone.
Per la validazione sperimentale vengono impiegati banchi prova dedicati e piattaforme di test in tempo reale, che consentono di verificare il comportamento dei sistemi in condizioni operative realistiche.
Controllo, validazione e Digital Twin
Le strategie di controllo e modulazione sono sviluppate per ridurre le perdite, contenere l’ondulazione di corrente e migliorare la qualità della tensione e della corrente erogate, garantendo prestazioni elevate anche in condizioni operative variabili.
Un aspetto centrale dell’attività di ricerca è l’integrazione tra hardware e software, finalizzata a una progettazione ottimizzata e a una validazione accurata dei sistemi. A tal fine, il gruppo utilizza piattaforme Hardware-In-the-Loop (HIL) e Power Hardware-In-the-Loop (PHIL) che consentono la verifica in tempo reale degli algoritmi di controllo e dei convertitori di potenza in condizioni realistiche di funzionamento.
Parallelamente, vengono sviluppati modelli Digital Twin di convertitori, macchine elettriche e azionamenti, capaci di riprodurre in tempo reale il comportamento dei sistemi fisici per analisi predittive, diagnostica e ottimizzazione delle prestazioni.
Principali Attività del Gruppo
- Progettazione e ottimizzazione di convertitori elettronici di potenza per applicazioni industriali, di trazione e per le energie rinnovabili.
- Sviluppo di strategie di modulazione e controllo digitale per massimizzare efficienza, densità di potenza e qualità dell’energia.
- Progettazione di convertitori innovativi multifase, a matrice e soft-switching.
- Controllo avanzato di convertitori multilivello (T-NPC, MMC, Diode-Clamped, E-type, Cascaded H-Bridge).
- Analisi e sviluppo di convertitori con semiconduttori Wide Band Gap (SiC, GaN).
- Integrazione hardware–software e validazione in tempo reale mediante HIL e PHIL.
- Condizionamento della potenza e miglioramento della qualità dell’energia mediante convertitori Active Front End.
- Azionamenti elettrici per macchine DC, asincrone, sincrone SPMSM/IPM e multifase.
- Azionamenti per macchine ad alta e altissima velocità (fino a 100 kRPM).
- Controllo sensorless e fault-tolerant per macchine trifase e multifase.
- Diagnostica e gestione di guasti nei convertitori e nelle macchine elettriche (open-phase, open-switch, smagnetizzazione, cortocircuito inter-spira, guasti rotorici).
- Analisi sperimentale e validazione di prototipi con attenzione ad affidabilità, efficienza e scalabilità industriale.
Attrezzature di Laboratorio
Il laboratorio è dotato di un’ampia gamma di strumentazione per la progettazione, il collaudo e la validazione di sistemi di conversione e azionamenti elettrici:
- Sistemi di prototipazione rapida: 3 piattaforme dSPACE (1 MicroLabBox, 2 ds1104) e 1 RTBox 3 per test HIL e PHIL.
- Banchi prova per azionamenti: 5 banchi fino a 50 Nm e 5000 rpm, con sensori di coppia e velocità ad alta precisione.
- Setup per macchine ad alta velocità: 2 banchi dedicati di piccola coppia fino a 100 000 rpm.
- Macchine elettriche speciali:
- 1 macchina asincrona a 5 fasi a rotore avvolto;
- 2 motori sincroni a 6 fasi per test di smagnetizzazione e cortocircuito inter-spira;
- 3 macchine asincrone a 7, 9 e 12 fasi (gabbia di scoiattolo).
- Attuatori lineari tubolari a 3 e 5 fasi
- Convertitori di potenza:
- Inverter trifase e multifase a 3 e 5 livelli in SiC e GaN (T-NPC, E-NPC, MMC);
- Inverter multifase a due livelli in SiC e GaN;
- Convertitori risonanti e soft-switching.
- Strumentazione di misura:
- Wattmetri di precisione trifase e a sei fasi;
- Oscilloscopi digitali ad alta banda;
- Sistemi per l’acquisizione di grandezze elettriche e meccaniche.
Settori ERC
- PE7_1 - Control engineering
- PE7_2 - Electrical and electronic engineering: semiconductors, components, systems
- PE8_6 - Energy systems (production distribution, application)
Responsabile scientifico/coordinatore: Prof. Angelo Tani