Innovative solutions for converters and motor drives oriented to smart cities and communities

Alcune aree definite dall'Unione Europea nel contesto delle smart cities and communities si fondono pienamente con i motori elettrici come, per esempio, l'efficienza energetica, le tecnologie a basse emissioni di carbonio e la mobilità. I motori elettrici sono utilizzati in molteplici applicazioni industriali e non, consumando tra il 43% e il 46% dell'energia elettrica prodotta su scala mondiale.Nonostante alcune applicazioni siano contraddistinte da dinamiche elevate, come manipolatori o macchine utensili, la maggior parte di esse sono caratterizzate da basse dinamiche in quanto facenti parte di processi industriali, per esempio pompe, compressori, ventilatori o nastri trasportatori. Si è stimato che il costo dell'intero ciclo di vita di un motore elettrico è ascrivibile per il 92% - 95% all'energia consumata, il che indurrebbe un tempo di ritorno dall'investimento per installazione di un azionamento elettrico minore di due anni. Nonostante il notevole risparmio economico e ambientale ottenibile, è piuttosto sorprendente apprendere che solo il 10% - 15% di tutti i motori industriali siano controllati da azionamenti elettrici. Per quanto riguarda le diverse tecnologie di motori elettrici, i motori sincroni a riluttanza stanno ricevendo una notevole attenzione sia da ricercatori industriali che accademici. Il crescente interesse è principalmente motivato dalle loro intrinseche caratteristiche quali l'alta efficienza, il basso costo e il basso impatto ambientale dovuto alla mancanza di magneti permanenti. Per di più, le loro caratteristiche soddisfano appieno i requisiti imposti dalle smart cities and communities e sono adatti per tutte le applicazione, caratterizzate da una bassa dinamica, viste sopra. Per questi motivi, questa tecnologia di motori può essere posta al centro dei processi di rinnovamento di quelle applicazioni. Vi è ampio consenso sul potenziale incremento delle vendite sia di azionamenti elettrici che di motori sincroni a riluttanza. I motori sincroni a riluttanza sono soggetti a una marcata saturazione magnetica, rendendo i classici modelli a parametri concentrati poco adatti. La prima parte di questa tesi riguarda lo sviluppo di un innovativo modello magnetico per motori anisotropi. Si basa su una rete neurale non tradizionale, chiamata Radial Basis Function. La sua proprietà locale rende questo tipo di rete neurale particolarmente adatta ad un addestramento durante il normale funzionamento del motore. Si propone una completa procedura di design e addestramento della stessa. In particolare vengono fatte alcune considerazione le quali permettono di definire a priori alcuni parametri della rete neurale rendendo il problema di addestramento lineare. Si descrivono due algoritmi di addestramento, il primo veloce ma computazionalmente dispendioso perciò adatto per un'implementazione offline mentre il secondo idoneo ad un addestramento online. Infine, per concludere l'identificazione parametrica del motore, si propone uno schema basato sull'iniezione di una corrente continua il quale permette di stimare la resistenza di statore indipendentemente da tutti gli altri parametri della macchina. L'indipendenza parametrica permette un notevolmente miglioramento nell'accuratezza di stima del modello magnetico ottenuto con la rete neurale. La seconda parte di questa tesi, invece, tratta il controllo del motore e come sia possibile migliorarne le performance utilizzando il modello identificato. Innanzitutto, per incrementarne l'efficienza si presenta un innovativo metodo per trovare la curva a massima coppia per corrente. La tecnica proposta lavora in stretta simbiosi con l'identificazione del modello magnetico in quanto è in grado di capire dove si trova la curva cercata rispetto all'attuale punto di lavoro sfruttando la stima locale dei flussi magnetici. Identificata la direzione di movimento, l'azionamento continuamente muove il punto di lavoro coerentemente. Infine, si propongono tre diversi controlli di corrente pensati per gestire un motore fortemente non lineare, tutti basati sul modello stimato. Il primo è un controllore proporzionale-integrale nel quale i parametri vengono modificati al variare del punto di lavoro con lo scopo di mantenere la dinamica della corrente di motore costante. Il secondo è anch'esso basato su un controllore proporzionale-integrale ma a guadagni costanti accoppiato ad un'azione di feed--forward la quale compensa tutte le non linearità presenti nella mappa magnetica. Infine, il terzo è un controllo predittivo il quale determina direttamente la posizione degli switch tali per cui la funzione di costo è minimizzata. All'interno del controllo, è inserito un vincolo sulla corrente massima e si utilizza un particolare algoritmo per ottenere un lungo orizzonte di predizione. Tutti i metodi presentati nella tesi sono stata verificati attraverso dettagliate simulazioni e prove sperimentali, eccezione fatta per il controllo predittivo il quale è stato testato attraverso simulazioni