Ingegneria Elettrica

At the end of the course, students are expected to have acquired both theoretical and practical skills for the analysis and numerical modelling of low-frequency electromagnetic problems relevant to electrical engineering. In particular, students will be able to: 1. Understand and formulate low-frequency electromagnetic field problems Students will be able to identify the appropriate electromagnetic approximation — electrostatic, steady-current, magnetostatic or magneto-quasi-static — starting from Maxwell’s equations and from the physical characteristics of the problem. 2. Apply analytical methods to canonical electromagnetic configurations Students will be able to solve simplified electromagnetic field problems using analytical or semi-analytical techniques, with particular reference to electric potential, magnetic vector potential, field energy and interface conditions. 3. Compute engineering quantities from field solutions Students will be able to compute capacitance, resistance, conductance, self and mutual inductance, partial inductance, magnetic forces, Joule losses and eddy-current losses in configurations of interest for electrical engineering. 4. Relate field models to circuit and transmission-line models Students will be able to extract lumped and distributed parameters from electromagnetic field solutions and use them in circuit-level or transmission-line descriptions. 5. Understand the foundations of numerical field computation Students will understand the basic principles of numerical approximation, numerical integration, finite differences and the finite element method, including the role of discretization, boundary conditions, convergence and validation. 6. Develop simple numerical codes for electromagnetic problems Students will be able to implement basic numerical procedures for field-related computations using Matlab, Python or other suitable tools. These procedures may include quadrature, time integration, finite-difference solvers and simple finite-element formulations. 7. Use numerical tools critically Students will be able to interpret the results of numerical simulations, compare them with analytical reference solutions when available, identify modelling assumptions and assess the reliability and limitations of the computed results. 8. Communicate modelling choices and results Students will be able to explain the formulation of an electromagnetic problem, justify the adopted analytical or numerical method, describe the structure of a computational implementation and discuss the physical meaning of the results.

The course provides an introduction to analytical and numerical methods for the analysis and design of low-frequency electromagnetic systems relevant to electrical engineering. The first part of the course is devoted to analytical modelling of electromagnetic field problems under low-frequency assumptions. Starting from vector analysis and Maxwell’s equations, the course addresses electrostatic fields, steady-current fields, magnetostatic fields, magneto-quasi-static fields and transmission lines. Particular attention is devoted to the computation of engineering quantities such as capacitance, resistance, conductance, self and mutual inductance, partial inductance, magnetic forces, Joule losses, eddy-current losses and distributed line parameters. The second part of the course introduces numerical techniques for electromagnetic field computation. After discussing basic concepts of numerical approximation, quadrature, numerical differentiation and time integration, the course presents the finite difference method and the finite element method for low-frequency electromagnetic problems. The numerical part emphasizes the formulation of field problems, the implementation of simple computational procedures, the validation of results against analytical reference solutions and the critical interpretation of numerical simulations. Classroom exercises and computer-based activities are integrated throughout the course. Analytical exercises are used to consolidate the theoretical concepts, while numerical mini-projects allow students to develop and discuss computational models for selected electromagnetic problems using Matlab, Python or other suitable tools.

Part I — Analytical low-frequency electromagnetics 1. Vector analysis and electromagnetic field quantities Scalar and vector fields. Gradient, divergence, curl and Laplacian. Flux and circulation. Integral theorems. Electromagnetic field quantities and material properties: electric field, electric flux density, current density, magnetic flux density, magnetic field intensity, permittivity, conductivity and permeability. 2. Maxwell’s equations and low-frequency approximations Maxwell’s equations in differential and integral form. Constitutive laws. Classification of electromagnetic problems: electrostatic, steady-current, magnetostatic, magneto-quasi-static and full time-varying regimes. Validity of low-frequency approximations in electrical engineering applications. 3. Electrostatic fields and capacitance computation Electric potential formulation. Laplace and Poisson equations. Conductors and dielectrics. Interface conditions at conductor/dielectric and dielectric/dielectric interfaces. Electric field energy. Capacitance and capacitance matrices. Analytical solutions for canonical geometries: parallel plates, coaxial systems, cylindrical configurations, multi-conductor systems and method of images. Applications to insulation systems, electrodes, cables and line capacitance. 4. Steady-current fields and resistance computation Local Ohm’s law and charge conservation. Scalar potential formulation in conducting media. Interface conditions between conductive media. Joule losses. Analogy between electrostatic and steady-current fields. Resistance and conductance matrices. Applications to grounding systems, current spreading, contact resistance and leakage-current problems. Analogies between electrostatic, steady-current and thermal conduction problems are discussed to highlight common mathematical structures. 5. Magnetostatic fields, inductance and magnetic forces Ampère’s law, Biot–Savart law and magnetic vector potential. Magnetic material interface conditions. Magnetic flux, flux linkage, self and mutual inductance. Partial self and mutual inductance of conductors and current paths. Inductance matrices. Magnetic energy and co-energy. Magnetic forces from energy methods. Magnetic circuits as engineering approximations. Applications to coils, busbars, magnetic cores, actuators, cables and multi-conductor systems. 6. Magneto-quasi-static fields Faraday’s law and induced electric fields. Magnetic diffusion in conducting media. Eddy currents. Skin effect and proximity effect. Penetration depth. Losses in conducting and magnetic materials. Interface conditions in conductor/air and magnetic/conductive configurations. Magnetic shielding and induction heating may be discussed as application examples in connection with numerical modelling. 7. Transmission lines from electromagnetic field parameters Distributed parameters of electrical lines: resistance, inductance, conductance and capacitance per unit length. Extraction of line parameters from electrostatic, steady-current and magnetostatic field solutions, including capacitance and inductance matrices. Telegrapher’s equations. DC transients and sinusoidal steady-state operation of lines. Engineering applications to cables, busbars and multi-conductor systems. Circuit-based simulation of transmission lines using tools such as SPICE or Simulink may be used to connect field-derived parameters with system-level behaviour. Part II — Numerical methods for electromagnetic field computation 8. Numerical approximation and error concepts Approximation, discretization, truncation error, round-off error and convergence. Modelling error versus numerical error. Use of analytical solutions as benchmarks for numerical models. 9. Numerical integration and quadrature Newton–Cotes formulas. Gaussian quadrature in one dimension. Extension to multidimensional integrals. Error estimation. Applications to electromagnetic field integrals, fluxes, energy quantities and mutual inductance calculations. 10. Numerical differentiation and discrete field operators Forward, backward and central differences. Higher-order schemes. First and second derivatives. Boundary nodes. Partial and mixed derivatives. Discrete gradient, divergence, curl and Laplacian operators. 11. Time integration of first-order differential systems Initial value problems written in the general form M\,dx/dt + Kx(t) = b(t). Explicit and implicit Euler methods. Stability and accuracy. Theta method and Crank–Nicolson scheme. Predictor–corrector methods. Basic adaptive step-size concepts. The formulation is first introduced using simple circuit examples and then connected to transient field and finite-element formulations. 12. Finite difference method for field problems Finite-difference discretization of Laplace and Poisson equations. Structured grids. Algebraic system assembly. Implementation of Dirichlet, Neumann and Robin boundary conditions. Equivalent network interpretation. Post-processing of potentials, fields, fluxes and energies. Limitations for irregular geometries and non-homogeneous materials. 13. Fundamentals of the finite element method Motivation for FEM. Meshes, elements, nodes, connectivity and element quality. Shape functions in 1D and 2D. Field interpolation. Weighted residuals and weak formulation. Galerkin method. Element matrices, assembly and treatment of boundary conditions. 14. FEM for low-frequency electromagnetic problems Finite-element formulations for electrostatic, magnetostatic and magneto-quasi-static problems. Scalar potential formulation for electrostatic problems. Magnetic vector potential formulation for 2D and axisymmetric magnetostatic problems. Capacitance and inductance extraction from FEM solutions. Coils, imposed current density, permanent magnets and magnetic materials. Magnetic energy, Joule losses, eddy-current losses and force computation. Frequency-domain and time-domain formulations for eddy-current problems. Validation against analytical solutions. Magnetic shielding and induction-heating configurations may be considered as application examples. 15. Brief overview of 3D FEM modelling Differences between 2D, axisymmetric and 3D models. Computational cost and mesh requirements. Nodal versus edge-based formulations at a conceptual level. Examples of 3D electromagnetic applications. Limitations of simplified 2D models. 16. Optional numerical solver topics Basic notions on sparse linear systems, direct and iterative solvers, convergence criteria and nonlinear iterations. Fixed-point and Newton-type approaches for nonlinear magnetic materials. This topic may be adapted depending on available time and on the needs emerging from the computer-based activities.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
... The final exam consists of two parts: a written examination and an oral examination. The written examination assesses the student’s ability to apply analytical methods to low-frequency electromagnetic problems. It has an indicative duration of 1.5 hours and consists of two exercises related to Part I of the course. The exercises are similar in style and level of difficulty to those discussed during the classroom practice sessions and may cover electrostatic fields, steady-current fields, magnetostatic fields, magneto-quasi-static fields and transmission-line parameters. During the written examination, students are allowed to use their own notes. No electronic devices are allowed, except for a scientific calculator. The written examination is graded out of 16 points overall. The oral examination assesses the student’s understanding of the numerical methods introduced in Part II of the course. During the oral examination, students discuss the numerical codes and mini-projects developed during the computer-based activities. Students must bring their own computer in order to show, run and explain the codes developed during the course. The oral discussion focuses on the formulation of the problem, the numerical method adopted, the structure of the code, the assumptions made, the validation of the results, and the interpretation of the computed electromagnetic quantities. The assessment does not only consider whether the code produces a numerical result, but also whether the student can explain the formulation, justify the numerical choices and critically discuss the validity of the results. Students are allowed to use suitable computational and documentation tools during the development of their numerical projects, including programming environments, symbolic computation software and generative AI systems. However, students remain fully responsible for the submitted and discussed material. They must be able to explain all relevant parts of their codes, justify the adopted modelling choices, identify possible limitations and demonstrate a critical understanding of the results. The oral examination is graded out of 16 points. The final score is obtained as the sum of the written-examination score and the oral-examination score, for a maximum of 32 points. Each part has a minimum passing threshold of 8 points. The minimum final score required to pass the exam is 18 points. Final scores higher than 30 are recorded as “30 cum laude�. The assessment is designed to verify that students are able to formulate and solve analytical electromagnetic problems, compute relevant engineering quantities such as capacitance, resistance, inductance, forces and losses, implement basic numerical methods for field computation, critically interpret numerical results, and compare numerical solutions with analytical reference cases where available.

Main references • D. K. Cheng, Field and Wave Electromagnetics, Addison-Wesley. • J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, Wiley. Numerical methods and FEM references • M. N. O. Sadiku, Numerical Techniques in Electromagnetics, CRC Press. • P. P. Silvester and R. L. Ferrari, Finite Elements for Electrical Engineers, Cambridge University Press. My suggestion

By the end of this course, students will gain the following knowledge and skill: - Knowledge of the concept of dynamical system together with its mathematical representations such as state equations and transfer functions - Skill in deriving mathematical models of linear dynamical systems - Knowledge of the basic properties of the Laplace transform - Skill in computing the solution of the system state equations through the Laplace transform approach - Skill in evaluating the performance of a dynamical system through numeric simulation - Knowledge of structural properties (stability, reachability, observability) of dynamical systemes - Skill in studying the structural properties - Knowledge of the concept of feedback control of dynamical systems - Knowledge of the main performance requirements of feedback systems - Knowledge of the main feedback system analysis techniques based on sinusoidal tools - Skill in analyzing stability and performance of feedback control systems - Knowledge of the design techniques of feedback controllers based on lead and lag functions - Skill in designing feedback controllers for single input single output systems through lead, lag and PID functions - Knowledge of the design techniques of feedback controllers based on the state space representation through static feedback control laws of the state - Skill in designing state feedback controllers - Knowledge of the state estimation procedures by means of asymptotic state observers - Skill in designing asymptotic state observers - Skill in designing static feedback control laws of the estimated state

The course is taught in English. The course will address the fundamentals of dynamical systems analysis and of the design of simple control systems.

• Introduction to dynamical systems. State space representation. Examples of state space representation of physical systems. (6 hr) - Introduction to basic properties of the Laplace transform (3 hr) - Solution of state equations through the Laplace transform, transfer function. (6 hr) - Modal analysis and internal and BIBO stability of linear time invariant systems (8 hr). - Minimality, reachability and observability, realization. (2 hr) - Introduction to output feedback control. Block algebra. (3 hr) - Bode, polar, Nyquist and Nichols diagrams. Nyquist stability criterion. Stability margins. (8 hr) - Feedback systems response in face of polynomial inputs; steady state tracking errors, disturbance attenuation and rejection. Time and frequency response of first and second order systems. Feedback systems performance: transient and steady state. (10 hr) - Control systems design by means of sinusoidal tools, i.e. loopshaping approach, using lead, lag and PID functions (17 hr) - Control systems design by means of state space methods using static feedback of the state (4 hr) - State estimation through asymptotic state observers (4 hr) - Control systems design using static feedback of the estimated state (4 hr) - Short accounts on the design of digital control systems through the emulation approach. (4 hr)

Modalita di esame: Test informatizzato in laboratorio;
Exam: Computer lab-based test;
... Written exam in computer laboratory lasting 2 hours divided into two parts. Part I. 5 multiple choice problems. For each problem, 4 possible answers are shown, only one of which is correct. Each problem has a different score based on its difficulty. The maximum score of this part is 17/30. Every exact answer leads to the full score, for every wrong answer a penalty corresponding to the 25% of the ful score is subtracted, every missing answer leads to null score. The goal of this first part of the exam is to verify the understanding of the fundamental theoretical topics of analysis and design of feedback control systems. Part II. 1 control design problem (maximum score: 17/30). The goal of this part of the exam is to verify the student skilness in designing a feedback control system through the loopshaping approach. Evidence of the design procedure must be provided in the terms of the matlab files developed for the design and a text document that reports the main steps of the design. The final grade is the sum of the scores achieved in the two parts. A mark of 30L/30 is given if the final score is greater or equal than 33. During the exam it is allowed to use a formulary provided by the instructor. Detailed instructions and rules will be presented during the course.

The main reference textbooks are: N. S. Nise: “Control System Engineering�, 5th Edition, Wiley, 2008. R. C. Dorf, R. H. Bishop: “Modern Control Systems�, 10th Edition, Prentice Hall, 2005. G. F. Franklin, J.D. Powell, A. Emami-Naeini, “Feedback Control of Dynamic Systems�, 5th Edition, Prentice Hall, 2006. K. Ogata, “Modern Control Engineering�, 4th Edition, Prentice Hall, 2002. P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, Ed. McGraw-Hill Libri Italia, Milano, 3a edizione, 2008 G. Calafiore, Elementi di Automatica, CLUT, Torino, 2007, II ediz. G. Calafiore, Appunti di Controlli Automatici, CLUT, Torino, 2006. A. Isidori, Sistemi di Controllo – Vol. Primo, Ediz. Scientifiche Siderea, Roma, 1992. II ediz. Lecture slides will be available on “Portale della didattica� as well as laboratory practice handouts.

Expected knowledge: Students will study methods and algorithms for solving constrained optimization problems. They will learn how to use existing linear continuous, linear integer and nonlinear solution methods and develop new ones. Particular attention will be given to optimization on graphs and networks. The computational complexity of optimization problems, which affects the choice of suitable solution algorithms, will be studied. The considered solution methods are both exact (Branch and Bound, Cutting Planes, Dynamic Programming) and approximated (heuristics and metaheuristics: tabu search, simulated annealing, genetic algorithms and other). Expected skills: Skills developed by students will consist of the construction of a problem solving mentality. This mentality will be based on mathematical models and related algorithms to solve decision making and optimization problems in data science and engineering.

The aim of the course is to provide students with theoretical and operational tools for modeling and solving decision making and optimization problems in data science and engineering. Those tools are powerful mathematical methods (models, algorithms, and software) to solve complex problems involving the minimization (or maximization) of objective functions, subject to given constraints. Starting from real-life optimization problems in data science and engineering, methods and algorithms for solving them will be studied. Particular attention will be paid to the computational complexity of the problems and the required solution methods.

1. Linear programming: modeling techniques, basic concepts of the Simplex method and duality (10% of the course). 2. Computational complexity: problem classes P, NP, NP-complete, and CoNP-complete (5% of the course). 3. Exact optimization methods: Branch and Bound, Cutting Planes, and Dynamic Programming (20% of the course). 4. Heuristic optimization methods: greedy algorithms, GRASP, Beam Search, meta-heuristics (Tabu Search, Simulated Annealing, Genetic Algorithms, ACO, VNS, RBS), and math-heuristics (30% of the course). 5. Network flow problems: min cost flow and max flow (5% of the course). 6. Decision making under uncertainty: Stochastic Programming with recourse, Measures for Stochastic Programming, Progressive Hedging method (10% of the course). 7. Nonlinear Programming: theoretical conditions for unconstrained and constrained optimization, algorithms for unconstrained and constrained optimization (20%).

E' possibile sostenere l?esame in anticipo rispetto all?acquisizione della frequenza

R. Tadei, F. Della Croce, A. Grosso, Fondamenti di Ottimizzazione, Progetto Leonardo, Editrice Esculapio, Bologna, 2005. R. Tadei, F. Della Croce, Elementi di Ricerca Operativa, Progetto Leonardo, Editrice Esculapio, Bologna, 2010. M. Ghirardi, A. Grosso, G. Perboli, Esercizi Svolti di Ricerca Operativa, Progetto Leonardo, Editrice Esculapio, Bologna, 2009. R.K. Ahuja et al., Network Flows, Prentice Hall, New Jersey, 1993. J.R. Birge, F. Louveaux, Introduction to Stochastic Programming, Springer, 2011. D. J. Luenberger, Linear and Nonlinear Programming, Springer, 3rd ed., 2008. G.L. Nemhauser, L.A. Wolsey, Integer and Combinatorial Optimization, Wiley, 1988. A. Ruszcynski, Nonlinear Optimization, Princeton Univeristy Press, 2006. Other learning material and examples of previous exams will be available on the course website.

At the end of the course, students are expected to have acquired both theoretical knowledge and practical skills in the modelling, numerical analysis, analytical sizing, and practical design of electrical machines.

The course provides advanced knowledge of the modelling, design, simulation and construction of the main electrical machine topologies. The first part of the course is devoted to the dynamic modelling of electrical machines, with particular emphasis on the derivation of analytical models for the study of transient phenomena in modern electric drives and electromechanical energy conversion systems. The second part of the course addresses the design of electrical machines, with particular emphasis on permanent magnet synchronous machines, covering topics from preliminary sizing equations to advanced design methodologies and simulation techniques.

The first part of the course is devoted to the mathematical dynamic modelling and simulation of electrical machines, whereas the second part addresses their analytical sizing, design and numerical simulation methodologies. PART I: electrical machine modeling (50 hours): - Introduction to the course and electrical machines classification in function of their operating principles - General aspects of electrical machines: sign conventions, formulation of electrical and magnetic equations, energy balance, permanent magnet machines, generalized electromechanical model, effects of magnetic nonlinearity on torque production. - DC machines: overview of operating characteristics and application fields, linear dynamic model of permanent magnet DC machines, and influence of machine dimensions on step-response dynamics. - Induction motor: electrical and magnetic flux linkage equations of the windings, three-phase to two-phase transformation, rotational transformation, machine equations in arbitrary reference frames, energy balance and torque expression, dynamic model of the motor. - Synchronous machine: electrical and magnetic equations of the windings, transformation of machine equations into convenient reference frames, energy balance and torque expression, dynamic models of synchronous motors and generators. PART II: electrical machine design (50 hours): - General aspects related to the design of electrical machines: materials, losses, thermal aspects and cooling - Constructive and technological aspects: laminations, slots designs, winding layouts (distributed and concentrated), number of turns in series per phase, parallel paths, winding factor, magneto-motive force, linked magnetic flux, back-electro motive force - Permanent magnet machines: principles and topologies: permanent magnet excitation and brushless torque production, surface-mounted PM machines, inset PM machines and interior PM machines, radial-flux and axial-flux layouts, sinusoidal and trapezoidal back-EMF, saliency, reluctance torque and flux barriers. Main advantages and limitations of PM machines in different applications. - Preliminary design of permanent magnet machines: from specifications to motor requirements (speed, torque, power, voltage, current, duty cycle, cooling and packaging constraints), selection of topology and pole-slot combination, preliminary electromagnetic sizing (air-gap diameter and length, current loading, magnetic loading, winding factor, number of turns and base speed), magnet selection, demagnetization considerations, saliency and mechanical speed limits - Introduction to finite-element verification and design iterations: guided project sessions on the preliminary design of a permanent magnet motor from assigned specifications, FEA characterisation of selected design solutions. - Final project workshops: Guided project sessions on the preliminary design of a permanent magnet motor from assigned specifications, definition of assumptions, analytical sizing, operating envelope, simplified thermal check, dynamic model setup, simulation results and preparation of the final technical report.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Individual project;
... The exam consists of a mandatory written part, with a maximum score of 20/30, and a mandatory oral part, with a maximum score of 13/30. Admission to the oral part is granted only to students who obtain a score >= 12/20 in the written part. If the score obtained in the written part is < 12/20, the exam is failed. The final grade is obtained by summing the scores achieved in the written and oral parts. WRITTEN PART The written part last 90 minutes and may include multiple-choice questions, short open questions and numerical exercises, as follow: - 6 multiple-choice quizzes (1 points each if right, -0.5 points if wrong) - 2 numerical quizzes/exercises (maximum 3 points each) - 2 open essay questions (maximum 4 points each) During the exam, the use of any materials, including books, notes, or electronic devices, is strictly prohibited. ORAL PART The mandatory oral examination starts with the discussion of the project carried out by the students. The project is assessed based on the correctness of the assumptions, consistency of the calculations, quality of the machine model, interpretation of the results, technical justification of the design choices, and clarity of the final report. Starting from the project discussion, the oral examination is aimed at assessing the student’s overall knowledge and understanding of the topics covered in the course. Therefore, the questions may address the entire course programme and may not be limited to the specific aspects developed in the project. For the project development, students may use the course material and simulation tools; however, the submitted work must clearly report all assumptions and must be original. For team projects, the final mark is assigned individually and may differ among members of the same team.

Slides and supplementary handout material used during the lecture. Datasheet of materials, electric motors, excerpts of books and additional references will be indicated by the professor during the course.

Upon successful completion of the course, students will be able to: * Define system specifications and design criteria for power electronic converters in electrification applications. * Analyze and compare fundamental converter topologies (AC/DC, DC/DC, DC/AC) and select appropriate solutions. * Design power electronic systems considering semiconductor technologies, power density, and state-of-the-art solutions. * Perform thermal design and evaluate its impact on performance and lifetime. * Apply reliability-oriented design methods, including failure mechanism analysis and lifetime estimation. * Evaluate and optimize converter efficiency, understanding trade-offs with cost, reliability, and power density. * Develop complete converter designs (DC/DC and DC/AC), including component selection, simulation, and validation. * Implement control strategies aimed at improving reliability (e.g., derating, power management). * Apply condition monitoring techniques and interpret data for health assessment and remaining useful life prediction.

Efficient and Reliable Power Electronics for Electrification is a Master’s-level course focused on the design and optimization of power electronic systems for modern electrification applications, with emphasis on efficiency, reliability, and power density. The course covers electronic design principles, including specifications, design criteria, and state-of-the-art technologies, alongside thermal design methods essential for performance and lifetime. It introduces design for reliability, addressing failure mechanisms and lifetime modeling, and presents fundamental converter topologies (AC/DC, DC/DC, DC/AC). Two case studies guide students through the complete design of DC/DC and DC/AC converters, from specifications and component selection to simulation, thermal design, reliability estimation, and verification. The course also examines efficiency and its trade-offs with reliability, cost, and power density, and explores advanced topics such as reliability-oriented control and condition monitoring techniques for health assessment and lifetime prediction. The course equips students with the skills to design efficient and reliable power electronic systems for applications such as renewable energy, electric mobility, and industrial electrification.

a. Electronic design: specifications, design criteria, state of the art in terms of power density and technologies b. Thermal design: why, what, how c. Design for reliability d. Fundamental topologies: AC/DC, DC/DC, DC/AC e. Case study 1: design of a DC/DC converter from start to end: specs, component choice, simulation, thermal design, reliability estimation, and verification f. Case study 2: design of a DC/AC converter from start to end: specs, component choice, simulation, thermal design, reliability estimation, and verification g. Efficiency: why, what, how. Trade-off among efficiency, reliability, cost, and volume/power density h. Control for reliability: power shaving, smart derating, condition-monitoring-aware prediction of remaining useful life i. Condition monitoring techniques

Modalita di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test in class using POLITO platform;
... Exam form: Part 1: Written test (Moodle) with a mix of multiple choice and exercises (mandatory). Part 2: Group project discussion (mandatory).

• Books: 1. S. Linder, Power Semiconductors. Lausanne, Switzerland: EPFL Press, 2006. 2. Iannuzzo, F. (Ed.). (2020). Modern power electronic devices: Physics, applications, and reliability. Institution of Engineering and Technology. 3. McPherson, J. W. (2019). Reliability physics and engineering: Time-to-failure modeling (3rd ed.). Springer. - Teacher's handouts

L’insegnamento di elettromagnetismo applicato permette di acquisire le seguenti capacità : 1. saper applicare delle metodologie di analisi riguardanti dispositivi elettromagnetici a parametri concentrati e distribuiti; 2. conoscere le soluzioni dei casi più semplici da usare talvolta come riferimento per i casi più complessi che richiedono un approccio numerico; 3. essere in grado di utilizzare software per il calcolo numerico dei campi, comprenderne il funzionamento e interpretarne i risultati.

L'insegnamento introduce ai campi elettromagnetici stazionari, quasi stazionari e variabili individuando i principali temi dell'ingegneria elettrica: campo elettrostatico, campo di corrente, campo magnetostatico, campo magnetico quasi stazionario. Nella prima parte del corso, la spiegazione dei fenomeni elettromagnetici è affrontata utilizzando metodi analitici. Successivamente, al fine di risolvere problemi applicativi tipici dell’ingegneria elettrica, vengono introdotte le tecniche numeriche di calcolo dei campi.

• Introduzione Introduzione ai campi ed alle grandezze elettromagnetiche. Analisi vettoriale Operatori vettoriali gradiente, rotore e divergenza Equazioni di Maxwell ed approssimazioni di campo stazionario, quasi stazionario e tempo variante. - Elettrostatica Richiami di elettrostatica: legge di Coulomb, legge di Gauss Materiali conduttori e dielettrici Condizioni di interfaccia e al contorno Dipolo elettrico Energia, forza e capacità elettrostatica Equazioni di Laplace e di Poisson Metodo delle immagini Calcolo del potenziale e del campo elettrico in configurazioni di interesse applicativo (linee multifilari) - Campo di corrente Analogia elettrostatica Legge di Ohm locale e conservazione della carica Legge di Joule Calcolo di resistenze di impianti di terra Calcolo di potenziali elettrici sul terreno - Campo magnetostatico Richiami dei campi magnetostatici: legge di Ampere Calcolo di campi magnetici: legge di Biot-Savart Forza di Lorentz Potenziale magnetico vettore Dipolo magnetico Flusso magnetico e calcolo di auto e mutue induttanze Energia e coenergia, calcolo di forze Richiami di circuiti magnetici - Campo magnetico quasi stazionario Legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica Diffusione magnetica e correnti parassite Effetto pelle Applicazioni: riscaldamento ad induzione, schermatura di campo magnetico variabile Esposizione umana ai campi elettrici e magnetici a bassa frequenza Linee elettriche Equazione dei telegrafisti Transitori nelle linee elettriche in DC Linee in regime sinusoidale - Elementi Finiti Discretizzazione spaziale e creazione del reticolo Formulazione bidimensionale con applicazione ai campi elettrici e magnetici Formulazione cartesiana e assial-simmetrica Utilizzazione del codice FEMM Accoppiamento del codice FEMM con l'ambiente MATLAB Cenni sulla formulazione tridimensionale e utilizzo di codici di calcolo tridimensionali (CST)

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Group essay;
... L'esame consiste in una prova scritta e nella valutazione di cinque differenti studi di configurazioni di campo elettromagnetico forniti sotto forma di elaborato scritto. La prova scritta, della durata indicativa di un’ora e mezza, consiste nello svolgimento di due esercizi simili a quelli svolti durante il corso. Durante la prova scritta non è possibile usare materiale didattico a parte un formulario fornito dal docente e sono ammesse solo calcolatrici. La prova scritta si terrà nei giorni e orari previsti dal calendario esami. Nell'esame in presenza lo scritto viene svolto su fogli forniti dal docente. La prova scritta vale 16 punti. La valutazione dei cinque report realizzati dagli studenti durante l'insegnamento varrà complessivamente 16 punti (3 punti a report + eventuale punto bonus). Non sono presenti soglie minime sulle due parti: prova scritta e report Lo studente che totalizza più di 30 punti otterrà 30 Lode. OBIETTIVI DELL'ESAME: * l'esame (scritto) ed i report sono finalizzati ad accertare il livello di apprendimento degli studenti con riferimento alle nozioni elencate nella sezione "risultati di apprendimento attesi".

Materiale e dispense forniti dal docenti tramite il portale della didattica nella pagina del corso C. M. Arturi, "Elettromagnetismo applicato e metodi di calcolo" D.K. Cheng, " Field and Waves Electromagnetics", Addison-Wesley publishing Company, 1996.

• Comprendere ed analizzare i circuiti in commutazione elementari, polo di commutazione unidirezionale • Comprendere e analizzare topologie di convertitori note e sconosciute per valutare correttamente i vantaggi e gli svantaggi rispetto all'applicazione • Comprendere e definire le specifiche del convertitore di potenza • Selezione della corretta topologia del convertitore e relativa tecnologia dei dispositivi elettronici di potenza per una data applicazione • Comprendere e analizzare la dinamica di commutazione dei dispositivi di potenza, valutazione delle perdite e degli stress termici • Comprendere definire e progettare i filtri d’ingresso ed uscita dei convertitori elettronici di potenza

Al giorno d’oggi, la connessione alla rete di distribuzione di energia elettrica delle varie utility, nella maggior parte casi, è realizzata tramite convertitori elettronici di potenza, sia per applicazioni da utilizzatore che da generatore (per esempio applicazioni di generazione da fonti rinnovabili). Il convertitore elettronico di potenza è utilizzato principalmente per garantire la compatibilità tra sorgente e carico dove necessario, per esempio nel caso dei panelli fotovoltaici permette di interfacciare una sorgente in regime DC con una rete AC. Inoltre, permettere la regolazione del flusso di potenza in base alle esigenze dell’applicazione consentendo in generale un’ottimizzazione dell’efficienza del sistema L'insegnamento di Elettronica di Potenza per l’Energia ha lo scopo di fornire le basi necessarie alla comprensione del funzionamento dei convertitori elettronici di elettronica potenza e fornire gli strumenti per il design e dimensionamento di massima degli stessi.

Introduzione dei convertitori elettronici di potenza, macrostruttura, classificazioni Richiami sui componenti reattivi: induttori e condensatori Introduzione della cella canonica a commutazione e principi di regolazione PWM Introduzione del concetto di switch elettronico di potenza e principi della commutazione Dispositivi elettronici di potenza in silicio: - Diodo di potenza - Diodo Schottky - Transistor bipolare BJT - Transistor ad effetto di campo MOSFET - Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Dispositivi wide band gap: - SiC Schottky diode - SiC power MOSFET - Dispositivi su base GaN, E-mode e D-mode Packaging dei dispositivi elettronici di potenza e modello termico Condensatori per l’elettronica di potenza, caratteristiche per l’utilizzo nei convertitori a seconda della funzione Componenti magnetici per l’elettronica di potenza, applicazioni, materiali e funzioni Circuiti per il pilotaggio degli switch elettronici di potenza Misure di grandezze elettriche nei convertitori elettronici di potenza Convertitori elettronici di potenza elementari: - Convertitore step-down unidirezionale in regime CCM - Convertitore step-up unidirezionele in regime CCM - Convertitore step-down unidirezionale in regime DCM - Convertitore step-up unidirezionele in regime DCM - Convertitore Buck-Boost, principi di funzionamento - Convertitore Flyback - Polo di commutazione bidirezionale - Modulatori PWM e tempi franchi Inverter monofase a mezzo ponte, modulazione lineare e sovramodulazione Inverter monofase ponte ad H, tecniche di modulazione: Bipolare, Unipolare, Unipolare con unfolding, Phase-shift Inverter monofase ponte H VSI in funzione della tecnica di modulazione: valutazione degli stress in corrente, residui di modulazione applicati al carico, introduzione dei modi differenziali e comuni di funzionamento. Inverter trifase quattro fili, funzionamento, modulazione lineare e sovramodulazione, spettro armonico, carichi squilibrati Inverter trifase due livelli (collegamento a 3 fili): principio di funzionamento, modulazione sinusoidale, modello dinamico, bilancio di potenza, vettori di tensione applicati Inverter trifase a due livelli, tecniche di modulazione continue e discontinue: S-PWM, SVM,CBSVM-PWM, S-THI PWM, DPWM-Min/Max, DPWMx, x=0,1,2,3,G Inverter trifase interfacciamento alla rete filtri e problemi EMI Convertitore AC/DC monofase, Boost PFC, interleaved Boost PFC, inverter monofase con unfolding, EMI

Modalita di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
... Esame consiste di una prova orale della durata approssimativa di 45 minuti, articolato su due o tre domande riguardanti il programma dell'insegnamento svolto a lezione che ad esercitazione.

Riferimenti: L’eventuale materiale didattico impiegato durante l'insegnamento (presentazioni, datasheet, articoli accademici) sarà reso disponibile tramite il portale della didattica. Eventuali testi a supporto: N.Mohan, T.Undeland, W.P.Robbins, "Elettronica di Potenza, Convertitori e Applicazioni", Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2005 Rashid, M. H., “Elettronica di potenza. Dispositivi e circuiti vol.1� Pearson Education,Inc., 2007 Rashid, M. H., “Elettronica di potenza. Applicazioni vol.2� Pearson Education, Inc., 2008 B. J.G.Kassakian, M.F.Schlecht, G.C.Verghese, "Principles of Power Electronics", MIT, Addison-Wesley, USA A. Fratta, "Dispense del corso di Conversione Statica dell'Energia Elettrica", Politecnico di Torino, CLUT.

Comprendere fondamenti di base dell’idraulica, così da potere approfondire il dimensionamento e la verifica di impianti idroelettrci in forma autonoma, affrontare problematiche semplici relative ad impianti provvisti di invaso o ad acqua fluente.

L'idroelettrico è una delle maggiori fonti di energia rinnovabile, su cui si sta investendo molto, sia in Italia, sia all'estero. Basti pensare che, a livello mondiale, è in corso, o è programmata, la costruzione di un circa 3700 nuovi impianti idroelettrici, con potenza superiore a 1 MW. Questi impianti faranno aumentare la capacità di produzione idroelettrica globale del 73%, fino a circa 1700 GW. L'insegnamento propone quindi di comprendere le basi teoriche di idraulica e di metterle in pratica per poter affrontare comuni problematiche di dimensionamento e verifica di impianti idroelettrici provvisti di invaso o ad acqua fluente. Ogni argomento teorico sarà seguito e corredato da applicazioni pratiche su impianti idroelettrici esistenti, che verranno visitati dagli studenti iscritti durante una specifica visita tecnica organizzata verso la fine delle lezioni.

L’insegnamento prevede 40 ore di lezione e 20 ore di esercitazione, suddivise secondo i 7 argomenti riportati di seguito. Ogni argomento sarà collegato ad applicazioni pratiche su impianti idroelettrici esistenti, che verranno visitati dagli studenti iscritti durante una specifica visita tecnica organizzata verso la fine delle lezioni. 1. FONDAMENTI DI MECCANICA DEI FLUIDI. Proprietà dei fluidi newtoniani e stato tensoriale. 2. STATICA DEI FLUIDI. Andamento delle pressioni in condizioni statiche. Spinte su superfici piane e curve. 4. DINAMICA DEI FLUIDI IDEALI E VISCOSI. Teorema di Bernoulli e sue applicazioni per impianti idroelettrici. Foronomia e luci a battente. Moto delle correnti in pressione e condotte forzate. Perdite di carico concentrate e distribuite. 5. MOTO DELLE CORRENTI A SUPERFICIE LIBERA. Moto uniforme. Moto critico e pendenza critica. Moto permanente di correnti a superficie libera. Risalto idraulico. Passaggio su una soglia; stramazzi. 6. MOTO VARIO DELLE CORRENTI IN PRESSIONE Colpo d’ariete e sovrappressioni in impianti idroelettrici. 7. MACCHINE IDRAULICHE Tubine e Pompe - Cenni generali, tipologie e rendimento Le esercitazioni seguiranno gli argomenti teorici in maniera sequenziale al fine di affrontare le comuni problematiche di progettazione e verifica di impianti idroelettrici con invaso o ad acqua fluente. Verrà scelto come caso studio l'impianto idroelettrico di Hone II, di proprietà della Compagnia Valdostana delle Acque, il quale verrà visitato dagli studenti durante una specifica visita tecnica organizzata verso la fine delle lezioni.

Modalita di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
... L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell’insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di calcolo alle problematiche di base della verifica e progettazione di impianti idroelettrci. In particolare verranno valutate: - La conoscenza delle fondamentali teorie alla base dell'idraulica applicata agli impianti idroelettrici - La conoscenza e comprensione delle tecniche di dimensionamento e verifica di serbatoi, prese, macchine idrauliche, condotte. - Capacità di utilizzare, interpretare e presentare in modo appropriato i diversi concetti in funzione della tipologia di impianto. La verifica dell'apprendimento si svolgerà in forma di colloquio orale svolto in presenza e avrà una durata di circa 20 min. Allo studente verranno poste da due a tre domande sia sul programma svolto in aula, sia sulle esercitazioni. Ad esclusione di studenti e studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), durante l'orale non è ammesso l'utilizzo di materiali di supporto.

Citrini D., Noseda G. Idraulica. Editore CEA, seconda edizione, 1987, 480pp. Tanzini M., Impianti Idroelettrici. Progettazione e Costruzione. Flaccovio Dario (Editore). 2019, 510pp.

Knowledge of the main principles to study the mechanical components covered during the course. In particular, by the end of the course, students will be able to: • develop a functional model of an electrically driven system: motor, transmission, and mechanical load; • study power transmission through the mechanical components covered, therefore evaluate the resulting forces and torques; • assess the stress state in a transmission shaft resulting from the application of external forces and torques and perform static strength and fatigue checks; • design and verification of the mechanical components presented during the course, namely gears and bearings, as well as coupling systems for transmitting motion between the shaft and connected elements; • evaluate shaft critical speeds and torsional natural frequencies.

Electric motors and servomotors are propulsion elements currently used in a wide range of production sectors: industrial handling, automation, energy production, and robotics. With the advent of the electrification process affecting the world of transport and work machinery, these systems can also be found on board of different types of vehicles. A common denominator is the need to interface with a mechanical transmission to adapt the torque-speed characteristics of the power delivered by the electric motor-generator to the functional requirements of the system to be driven, whether it is an industrial automation system, a turbogenerator unit, a car, or a work vehicle. The course aims to provide the theoretical and applied knowledge required to design the main mechanical components found in electric propulsion and/or generation systems. In particular, the focus will be on transmission shafts, gears, bearings, and the main shaft-hub connection systems. The information acquired on the static and dynamic behavior of the machine components covered in the course becomes a key indicator of their health status, which can be assessed through monitoring techniques capable of identifying operating variations with respect to the expected behavior.

The course aims to provide the skills required to carry out basic design and/or verification of the most common mechanical components found within an electrically driven transmission system. The calculation methods required for the analysis of the selected components will be presented and derived by taking into account the main results of the mechanics of linear elastic continuous bodies and their static and fatigue strength capacity. The course consists of a series of theoretical lectures (45 hours) and a block of practice lessons (15 hours) during which the calculation methods presented will be applied to practical case studies. Course organization • Introduction to the course and application framework of the topics to be addressed • Review of the main results from continuum mechanics • Static strength and fatigue of mechanical components • Gears for motion transmission between transmission shafts • Shaft-hub connections • Rolling bearings • Threaded connections • Dynamic behavior of transmission shafts • Machine monitoring for diagnostic and prognostic purposes. Application of condition monitoring to electric motors.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
... Assessment of the achievement of the “expected learning outcomes� listed above is carried out exclusively through a written test. The exam consists of a two-hour written test divided into two parts, designed to assess both theoretical preparation and the ability to apply the calculation methods presented during the course. • Part 1: completion of a multi-part exercise • Part 2: open-ended answer to a theoretical question During the written test, students may not consult textbooks, handouts, or formula sheets, nor use multimedia devices with web access. During Part 1, the use of a calculator is allowed for carrying out the calculations required by the exercise. The exam is considered passed if the written paper receives a mark between 18/30 and 30/30, excluding honours, calculated as the arithmetic mean of the marks obtained for the exercise and the theoretical question. Laude is considered in case of excellent results both in Part1 and Part2. The result of the written test will be communicated to students through a notice on the teaching portal. Students will be able to view their papers and the corresponding assessments during a general meeting, the date of which will be communicated through a notice on the teaching portal at the same time as the publication of the written test results.

Material used by the lecturers during the lectures, and distributed through the university portal. Additional references can be found below: • R.C. Juvinall, K.M. Marshek, Fundamentals of Machine Component Design, John Wiley & Sons Inc., 5th Ed. 2011. • J.E. Shigley, R.G. Budynas, J.K. Nisbett, Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill Education, 11th Ed. 2019. • Childs, P.R.N., Mechanical Design, 2nd Edition, Elsevier, 2004 (also in eBook format, see library website). • Collins, J.A., Failure of Materials in Mechanical Design, 2nd Edition, Wiley, 1993. • Furgiuele, F., Sgambiterra, E., Esercizi di elementi costruttivi delle macchine, Pitagora Editrice Bologna, I Ed. 2022.

I contenuti trattati intendono fornire conoscenze e capacità di comprensione relative ai fenomeni fisici, ai modelli e alle tecniche numeriche di soluzione delle reti elettriche di trasmissione e distribuzione in condizioni normali e di guasto, al funzionamento dinamico dei sistemi elettrici. Gli obiettivi minimi riguardano: - capacità di risolvere circuiti esemplificativi delle problematiche delle reti elettriche di trasmissione e distribuzione in condizioni normali e di guasto; - capacità di formulare correttamente le equazioni di calcolo dei flussi di potenza nelle reti di trasmissione e distribuzione; - conoscenza delle tecniche numeriche impiegate per la soluzione delle equazioni delle reti; - comprensione fisica dei principali fenomeni dinamici dei sistemi elettrici.

The course is aimed at providing the fundamental notions for the understanding and analysis of the steady-state and dynamic phenomena in power systems, in particular in high voltage transmission systems and in medium voltage distribution systems. The contents refer to the structure and model of the systems, numerical techniques for load-flow calculations in steady-state conditions, behaviour in fault conditions, and dynamic models in the time domain. The topics are developed with an application focus, oriented towards real transmission and distribution systems.

INTRODUCTION CONCEPTS (n h): Power system structure, ..... Line models. POWER FLOW ANALYSIS (n h): FAULT ANALYSIS POWER SYSTEM DYNAMICS (n h):

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Exam: Written test; Optional oral exam;
... The exam is written, with multiple-choice questions, open questions and exercises. The rationale for this type of exam is to verify that the main concepts and have been fully understood, the minimum objectives have been reached, and the students are able to identify the salient aspects and to synthesize these aspects in a written document. Duration: 2 hours. To access the exam room, each student must exhibit a valid document with photo. For the part with multiple-choice questions, only one response is correct, and there is no penalty for incorrect or missing responses. For the part with open questions, the responses must be written only on the sheets given by the Commission and no other paper is allowed. During the exam the students may exit from the room only if they withdraw from the exam or deliver the final writing. In case of withdrawal, the text of the exam must be given back with the indication of the student name and surname on the first page by adding the indication "WITHDRAWN". During the written exam, the students may use only clean paper, pen and non-programmable pocket calculators. Personal computers, laptops, tablets, as well as mobile phones and equipment for taking photos or for remote communication, are not allowed. The course material, clothes and the personal belongings must not remain on the work plan, nor under the desk, and must remain where the contents relevant to the exam cannot be reached. Contacting other persons or using the course material is not admitted. If a student is found with any material not allowed in accessible location, or contacting other persons, his/her exam is immediately annulled, and the student will have to leave the room. Any question concerning the written exam must be addressed to a member of the exam Commission. In case the question is of general interest, a member of the exam Commission will inform all the students participating in the exam. It is possible to renounce to the exam only by withdrawing from the written exam. After leaving the exam room, no changes will be allowed to the decision to withdraw or not from the exam. All the writings given to the Commission at the end of the written exam will be evaluated, scored, and registered. The score of the total exam is organized to reach a total of 31 points. If the student obtains 31 points (or at least 30 points with particularly effective responses to the open questions and exercises), the Commission may decide to give the final score 30/30 cum laude. The results of the exam will be communicated through the web portal. The students will have the possibility of viewing their corrected material during the period of the current exam session, in the date communicated by the professor responsible of the course.

Course material provided by the lecturers. There is no commercial textbook that covers all the topics of the course. Suggested readings: J.J. Grainger, W.D. Stevenson, Power System Analysis, McGraw Hill, ISBN 0-07-061293-5, 1994. controllare nuova versione Kersting edizione recente

Le conoscenze e la capacità di comprensione da acquisire rappresentano un approfondimento della preparazione dello studente nell'ambito delle macchine elettriche, volta in particolare alla progettazione delle macchine e all'analisi del loro comportamento dinamico. Le capacità di applicare conoscenza e comprensione conseguite permetteranno ai laureati magistrali di trattare con adeguato rigore metodologico le problematiche del dimensionamento e della dinamica delle macchine elettriche. In particolare, grazie all'uso degli schemi di calcolo, modelli e simulazioni numeriche proposte durante le lezioni ed esercitazioni, il laureto magistrale sarà in grado di risolvere in modo autonomo problematiche concernenti la modellistica ed il dimensionamento di dispositivi elettromeccanici in genere. Le abilità di sintesi scritta di tematiche complesse, così come le capacità comunicative acquisite dallo studente, stimolate dal docente durante l'insegnamento grazie a domande specifiche (anche valutate durante un colloquio finale - prova orale obbligatoria), garantiranno al laureato magistrale una sua proficua partecipazione a team di lavoro costituiti da persone aventi competenze tecniche e scientifiche diverse.

L'insegnamento presenta agli allievi ingegneri elettrici aspetti di approfondimento concernenti la costruzione, il dimensionamento ed il comportamento dinamico delle principali macchine elettriche (trasformatore, macchine in C.A. a campo rotante e macchina in C.C.). Le attività sono suddivise in due parti: nella prima si intende fornire agli studenti le conoscenze di base e le metodologie per il corretto dimensionamento delle macchine elettriche partendo da specifiche di progetto imposte, nella seconda si propongono modelli e strumenti di calcolo/simulazione per lo studio e l'analisi dei fenomeni transitori che interessano le macchine elettriche nelle loro attuali applicazioni.

Parte relativa al dimensionamento elettromeccanico delle macchine elettriche [circa 42 ore]: - Nozioni introduttive e cenni sui materiali con riferimento al loro impiego nelle costruzioni elettromeccaniche [8 ore]. - Costruzione e progetto dei trasformatori [12 ore]. - Avvolgimenti per macchine a corrente alternata [6 ore]. - Costruzione, dimensionamento e progetto di motori asincroni trifase [16 ore]. Parte relativa al comportamento dinamico delle macchine elettriche [circa 36 ore]: - Aspetti generali delle macchine elettriche [6 ore]: convenzioni di segno, formulazioni delle equazioni elettriche e magnetiche, bilancio energetico, macchine a magneti permanenti, modello elettromeccanico generalizzato, effetti della non linearità magnetica sulla coppia. - Macchina a corrente continua [6 ore]: richiami sulle caratteristiche di funzionamento e sui campi di applicazione, modello dinamico lineare della macchina a magneti permanenti ed influenza delle dimensioni sulla risposta dinamica al gradino. - Motore asincrono [12 ore]: equazioni elettriche e di concatenamento magnetiche degli avvolgimenti, trasformazione trifase/bifase, trasformazione di rotazione, equazioni di macchina su assi arbitrari, bilancio energetico ed espressione della coppia, modello dinamico del motore, cenni alla modalità di rappresentazione dei fenomeni di saturazione. - Macchina sincrona [12 ore]: equazioni elettriche e magnetiche degli avvolgimenti, trasformazione delle equazioni di macchina su assi di comodo, bilancio energetico ed espressione della coppia, modello dinamico del motore e del generatore, transitorio semplificato del cortocircuito dell'alternatore.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Exam: Written test; Optional oral exam;
... Exam: Written test; Optional oral exam; ... L'esame è costituito da una prova scritta della durata di almeno tre ore. Tipicamente la durata è dalle tre ore e mezzo a quattro ore a seconda delle richieste degli studenti. La prova d’esame, oltre a verificare la conoscenza e la comprensione degli argomenti trattati, si pone l’obiettivo di verificare le capacità di sintesi di argomenti complessi in un tempo comunque limitato. Le domande, comprendono elementi descrittivi, ma anche critici che permettono di fare opportuni collegamenti tra le due parti dell'insegnamento. Necessario al superamento dell’esame è un corretto utilizzo della terminologia, delle notazioni matematiche ed una chiara e sintetica esposizione che riporti i collegamenti logici tra gli aspetti considerati. È obbligatoria la prenotazione all’esame tramite il portale della didattica. Allo studente saranno proposte quattro domande relative agli argomenti presentati sia durante le lezioni che le esercitazioni. Delle quattro domande, tutte di tipo aperto, due verteranno sulla parte di insegnamento relativa al dimensionamento elettromeccanico delle macchine elettriche e due sulla parte relativa al loro comportamento dinamico. Lo studente dovrà rispondere alle domande su fogli protocollo, scrivendo in modo dettagliato (ed ordinato!) i concetti e le problematiche che stanno alla base dell’argomento richiesto. Per gli studenti stranieri è ammesso rispondere alle domande in inglese. Durante la prova scritta non si potranno consultare testi e dispense. Inoltre, non è ammesso portare in aula dispositivi multimediali con accesso al web (ad esempio, smartphone, smartwatch e tablet). L’esame è superato se l’elaborato scritto ottiene un voto da 18/30 a 30/30 (lode inclusa), con una soglia minima su ciascuna parte dell'insegnamento di almeno 7/15. Dall’anno accademico in corso, qualora la parte di dinamica delle macchine elettriche oppure quella di � Esporta PDF  Esporta Word (/pls/portal30/gap.pkg_guide.doc?p_id_guida=16025) Pannello di proposte scheda insegnamento (/pls/portal30/gap.pkg_guide.main?p_sez=1) costruzioni elettromeccaniche sia sufficiente (ovvero maggiore o uguale a 9/15) lo studente potrà decidere di conservare la votazione di detta parte per tutti gli appelli dell’anno in corso, ma non verrà conservata per l’anno accademico successivo. Ne consegue che per ogni appello, escluso quello della sessione autunnale, lo studente più decidere di sostenere solo una semi-parte (dinamica delle macchine elettriche o costruzioni elettromeccaniche) comunicandolo obbligatoriamente ad inizio esame. In questo caso la durata massima dello scritto per lo svolgimento di una sola parte d’esame sarà di 2 ore e la prova è superata se l’elaborato scritto ottiene un voto da 9/15 a 16/15. Gli studenti prenderanno visione del compito e della relativa valutazione durante un incontro generale, in presenza oppure da remoto, la cui data verrà fissata di volta in volta, tipicamente una settimana dopo la prova scritta; la data dell’incontro sarà comunicata agli studenti con messaggi (notifiche sull'app, sms o email) inviati tramite il Portale della Didattica. Durante detto incontro, lo studente che ottiene un voto maggiore o uguale a 25/30 può richiedere un colloquio orale integrativo nel quale il voto dello scritto potrà essere migliorato o confermato, ma anche peggiorato (non sarà garantito il voto ottenuto nella prova scritta). La prova orale integrativa, della durata indicativa di un’ora e mezza, potrà vertere su tutti gli argomenti trattati nel corso, incluse le esercitazioni. Lo studente che sceglie di sostenere l’esame orale potrà scrivere eventuali sviluppi matematici e schemi su fogli di carta o, se disponibile, alla lavagna. Inoltre lo studente, dovrà portare il proprio portatile con le esercitazioni in Excel e Simulink, per eventuali domande sulla loro implementazione e per l’implementazione di piccole modifiche per rispondere ad aspetti di dettaglio. Se lo studente non disponesse di un proprio laptop, su richiesta potrà utilizzare quello del docente nel caso di domande sulle esercitazioni. L’esame orale è superato se lo studente ottiene un voto finale da 18/30 a 30/30 (lode inclusa).

A tutti gli studenti iscritti all'insegnamento sarà fornito il materiale didattico predisposto dal docente. Tale materiale, accessibile sul portale della didattica (slides della parte di costruzioni elettromeccaniche, testi delle esercitazioni di dinamica delle macchine elettrice) oppure acquistabile in rete (appunti delle lezioni e raccolta delle esercitazioni risolte di dinamica delle macchine elettriche), è redatto in italiano e si ritiene esaustivo per la preparazione dell’esame finale. Per una migliore preparazione all'esame, sul portale della didattica saranno anche inseriti la raccolta di tutti i temi d’esame passati ed il registro dettagliato delle lezioni dell’anno accademico precedente. Su richiesta degli studenti, saranno inoltre consigliati eventuali libri e pubblicazioni per approfondimenti su argomenti specifici, eventualmente anche in lingua inglese. Alcuni esempi sono riportati qui di seguito: - A.E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., A. Kusko, 'Macchine elettriche', Frano Angeli Editore - N. Bianchi, S. Bolognani, 'Metodologie di progettazione delle macchine elettriche', CLEUP - J. Pyrhonen, T. Jokinen, V. Hrabovcova, 'Design of rotating electrical machines', John Wiley & Sons

Obiettivi di apprendimento: • Conoscenze dei principi di base della conversione e accumulo dell’energia elettrica in forma meccanica e chimica • Conoscenze dei principali materiali, componenti, tecnologie e configurazioni impiantistiche applicate nell’ambito dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica • Conoscenze delle metodologie di base e degli strumenti per la simulazione, il dimensionamento e l’ottimizzazione della taglia dei sistemi di accumulo elettrico • Conoscenza delle metodologie di base per l’analisi tecno-economica dei sistemi di accumulo • Applicazione delle conoscenze a casi studio di dimensionamento e analisi energetico e tecnico-economica di sistemi di accumulo elettrico

La generazione elettrica da fonti rinnovabili è in continua crescita a livello globale, spinta dalle iniziative che ne incentivano l’introduzione per fronteggiare le problematiche ambientali e di sicurezza di approvvigionamento energetico connesse all’uso di fonti fossili. Tuttavia, la maggior parte delle fonti di energia rinnovabile sono caratterizzate da una natura intermittente e non programmabile, oltre a presentare limiti intrinseci in termini di densità energetica e di disponibilità . Le problematiche legate allo sfasamento temporale tra generazione elettrica rinnovabile e domanda richiedono l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia che consentano di massimizzare il fattore di capacità degli impianti rinnovabili, garantire la stabilità delle reti elettriche ed eventualmente consentire l’interconnessione di diverse infrastrutture di trasporto e distribuzione dell’energia. Nel corso verrà fornita una panoramica completa dello stato dell’arte delle diverse tecnologie di accumulo dell’energia elettrica e verranno trattati in dettaglio l’accumulo in forma meccanica, chimica ed elettrochimica. La trattazione avverrà mediante lezioni teoriche (75% del corso) ed esercitazioni di calcolo (25% del corso) finalizzate a fornire agli studenti le competenze e gli strumenti necessari a dimensionare e valutare tramite bilanci energetici e analisi tecno-economiche le diverse tecnologie di accumulo.

Il programma del corso è organizzato come segue: • Introduzione ai sistemi di accumulo dell’energia elettrica (15%): breve panoramica del corso e ripasso dei principi di base e relazioni fondamentali della conversione dell’energia elettrica. Introduzione agli indicatori energetici per la classificazione dei sistemi di accumulo. Ruolo dei sistemi di accumulo nell’integrazione di fonti rinnovabili connesse a rete, micro-rete o in isola. Classificazione e confronto dei sistemi di accumulo. Elementi fondamentali dell’analisi tecno-economica. • Sistemi di accumulo meccanico (10%): panoramica dei sistemi di accumulo di energia cinetica e potenziale: volani, accumulo idroelettrico per pompaggio e ad aria compressa, soluzioni innovative (es. sistemi di accumulo gravitazionale). Bilanci energetici e metodologia di dimensionamento. Esercitazione di dimensionamento di un sistema di accumulo. • Sistemi di accumulo elettrochimico (30%): introduzione alla celle elettrochimiche, principi di base di chimica ed elettrochimica dei sistemi di accumulo. Parametri operativi caratteristici dei sistemi di accumulo elettrochimico. Batterie secondarie per l’accumulo elettrico: stato dell’arte e prospettive. Panoramica sulle batterie: metallo-ione, piombo, Sali fusi, alcaline, metallo-aria. Focus su applicazioni batterie litio-ione. Batterie a flusso: redox flow batteries. Metodologia di dimensionamento delle batterie secondarie e modelli a parametri concentrati per la simulazione di batterie di accumulo. Esercitazione di dimensionamento e simulazione. • Sistemi di accumulo chimico (40%): introduzione all’idrogeno come vettore energetico per l’accumulo di energia elettrica rinnovabile. Fondamenti di termodinamica chimica. Principi operativi di base di celle elettrolitiche e celle a combustibile. Stato dell’arte degli elettrolizzatori per la generazione di idrogeno: tecnologie commerciali (elettrolizzatori alcalini, PEM) e innovative (AEM, SOEC). Stato dell’arte delle celle a combustibile e focus sulle tecnologie commerciali a bassa (PEM) e alta (SOFC) temperatura. Panoramica delle tecnologie per lo stoccaggio, il trasporto e la distribuzione dell’idrogeno. Introduzione a sistemi di tipo Power-to-Gas/Chemicals per la conversione di idrogeno in metano e altri vettori energetici chimici: panoramica delle tecnologie. Modelli a parametri concentrati per la simulazione di elettrolizzatori e celle a combustibile. Metodologie di dimensionamento di elettrolizzatori, celle a combustibile e sistemi di accumulo dell’idrogeno. Metodologie di ottimizzazione applicate al dimensionamento. Esercitazione di dimensionamento di un sistema Power-to-Gas/Power. • Altri sistemi di accumulo (5%): panoramica dei sistemi di accumulo elettrico (supercapacitori e superconduttori) e dei sistemi di accumulo in energia termica. Presentazione di casi studio.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group essay;
... L’esame è finalizzato alla verifica del raggiungimento dei seguenti obiettivi di apprendimento: 1) Conoscenza teorica dei principi di base dell’accumulo energetico e dello stato dell’arte delle applicazioni tecnologie 2) Capacità di applicare metodologie di dimensionamento e analisi energetica e tecnico-economica a casi applicativi realistici. Ai fini della verifica degli obiettivi di apprendimento, l’esame è composto da: 1) Prova scritta obbligatoria (massimo 16 punti): esame in aula (tempo previsto 120 minuti) composto da una prima parte di domande a risposta chiusa (8 punti) ed un esercizio (8 punti). Durante la prova non è possibile consultare materiale didattico ed è consentito l’uso di una calcolatrice scientifica. La prova sarà svolta su supporto cartaceo. 2) Esame orale obbligatorio (massimo 10 punti). L'esame orale è individuale e viene svolto subito dopo l'esame scritto. 3) Presentazione di un report di gruppo riguardante un caso studio applicativo su un sistema di accumulo. L’argomento del caso studio viene assegnato dal docente ad inizio corso. Il voto sarà unico per tutti gli studenti del gruppo (massimo 6 punti). Le presentazioni dei report di gruppo verranno effettuate a fine corso in date stabilite ad inizio corso. La valutazione finale è data dalla somma della valutazione del presentazione del lavoro di gruppo, della prova scritta e della prova orale. La lode verrà assegnata in caso di punteggio superiore a 30/30.

Tutti gli argomenti trattati durante il corso saranno corredati da un'ampia varietà di materiali forniti direttamente dal docente. Alcuni libri di testo di riferimento sono i seguenti: Sterner, Michael, and Ingo Stadler, eds. Handbook of energy storage: Demand, technologies, integration. Springer, 2019. Wu, F. B., Yang, B., & Ye, J. L. (Eds.). (2019). Grid-scale energy storage systems and applications. Academic Press. U.S. DOE Energy Storage Handbook. https://www.sandia.gov/ess/publications/doe-oe-resources/eshb

L'insegnamento fornisce agli studenti le capacità per le scelte relative per i principali sistemi energetici, i loro componenti e le loro applicazioni, tenendo in conto gli aspetti funzionali, energetici, economici ed ambientali.

L'insegnamento si propone di fornire gli elementi fondamentali delle macchine a fluido e dei sistemi energetici, con particolare riferimento al principio di funzionamento, agli aspetti di carattere costruttivo, alla valutazione delle prestazioni delle macchine e degli impianti nei quali operano.

Richiami di Termodinamica, Termochimica e Fluidodinamica [4.5 h Lez., 1.5 h Es.] Classificazione delle macchine a fluido. I Principio della Termodinamica in forma Lagrangiana ed Euleriana. II Principio della Termodinamica. Legge di stato dei gas. Leggi di evoluzione. Equazioni di conservazione della massa, quantità di moto e momento della quantità di moto. Definizione dei rendimenti e calcolo del lavoro per le macchine motrici ed operatrici. Ugelli e Diffusori [3 h Lez., 3 h Es.] Velocità del suono e proprietà di ristagno in una corrente fluida. Flusso isoentropico di una corrente unidimensionale stazionaria. Pressione critica e condizioni di criticità . Funzionamento di ugelli e diffusori in condizioni di progetto e "fuori progetto". Rendimento di ugelli e diffusori. Impianti Termoelettrici a Vapore [6 h Lez., 4.5 h Es.] Il ciclo Rankine-Hirn. Metodi per aumentare il rendimento del ciclo. Impianti a vapore cogenerativi. Regolazione degli impianti a vapore. Turbine a Vapore e a Gas [7.5 h Lez., 3 h Es.] Richiami sull’espressione del lavoro in una turbomacchina; triangoli di velocità . Turbina assiale semplice ad azione; descrizione della macchina, triangoli di velocità , profili delle palettature; espressione del lavoro e del rendimento nel caso ideale e reale. Turbina assiale a salti di velocità ; descrizione della macchina, triangoli di velocità e profili delle palettature; espressione del lavoro e del rendimento nel caso ideale. Turbina a salti di pressione: fattore di recupero. Turbina assiale semplice a reazione; grado di reazione; triangoli di velocità e profili delle palettature; espressione del lavoro e del rendimento nel caso ideale e reale. Perdite caratteristiche delle turbine a reazione. Turbocompressori [6 h Lez., 3 h Es.] Richiami sul lavoro di compressione ideale e reale con scambi termici, rendimento isoentropico ed idraulico. Compressore centrifugo: triangoli di velocità , lavoro di compressione e sua espressione in funzione dei coefficienti adimensionali. Determinazione della caratteristica manometrica del compressore centrifugo. Compressore assiale: triangoli di velocità e profili delle palettature. Espressione del lavoro di compressione e sua espressione in funzione dei coefficienti adimensionali; caratteristica manometrica del compressore assiale. Instabilità di funzionamento: ciclo di pompaggio e stallo rotante. Regolazione dei turbocompressori. Turbopompe [6 h Lez., 3 h Es.] Definizioni delle grandezze caratteristiche di funzionamento e dei rendimenti delle macchine idrauliche operatrici e motrici. Caratteristica di una turbopompa centrifuga e assiale. Funzionamento in similitudine delle turbopompe: numero di giri caratteristico. Regolazione delle turbopompe. Problematiche relative all'installazione delle turbopompe: cavitazione ed NPSH. Impianti Turbogas [6 h Lez., 1.5 h Es.] Il ciclo Joule-Brayton. Calcolo del rendimento e del lavoro ideale e reale. La rigenerazione. Impianti Turbogas cogenerativi. La regolazione degli impianti turbogas. Impianti a Ciclo Combinato Gas-Vapore [1.5 h Lez., 1.5 h Es.] Impianti combinati gas-vapore. Bilancio energetico e calcolo del rendimento. Il Generatore di Vapore a Recupero. Cicli combinati cogenerativi. Motori Alternativi a Combustione Interna [6 h Lez., 3 h Es.] Motori a ciclo Otto e Diesel, calcolo del rendimento, della potenza e della pressione media. Apparato della distribuzione nei motori alternativi, coefficiente di riempimento, alimentazione del combustibile e combustione nei motori alternativi a combustione interna. Variazione della potenza utile con le condizioni di alimentazione e sovralimentazione dei motori. Caratteristica meccanica e di regolazione. Applicazioni alla cogenerazione. Turbine idrauliche [4.5 h Lez., 3 h Es.] Principali caratteristiche costruttive, di funzionamento e di regolazione delle turbine Pelton, Francis e Kaplan.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto individuale;
Exam: Written test; Individual essay;
... L’esame è scritto e comprende una domanda di teoria e due esercizi. La domanda di teoria e ciascuno degli esercizi concorrono per un terzo alla formazione del voto finale. Per le domande di teoria non sarà possibile consultare testi o utilizzare calcolatori tascabili, mentre per gli esercizi saranno ammessi sia testi sull’argomento, sia i calcolatori. La durata dell’esame è di 2 ore.

Materiale didattico verrà distribuito in aula dal docente. Testi per approfondire singoli argomenti sono i seguenti: Catania, Complementi di macchine, Levrotto & Bella, Torino, 1979 Lozza , Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, Bologna, 1996 Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, Torino, 1992 Dadone, Macchine idrauliche, Clut, Torino 1980

• Knowledge of the rules for the uncertainty estimation according to the probabilistic approach - Knowledge of the most important issues related to traceability and certification of measuring instruments - Capability of scheduling a quality-assurance program for the measuring instrumentation - Capability of understanding the specifications and operating procedures of the modern digital instrumentation - Knowledge of characteristics and capabilities of spectrum analysers - Knowledge of the working principles of the most commonly used sensors - Capability of analysing sensor specifications and selecting the most suitable conditioning circuitry - Knowledge of the architecture of data-acquisition boards and micro-controller based measuring systems - Knowledge of the most important architectures of complex and distributed measuring systems and industrial buses - Capability of designing a complex measuring systems selecting the most suitable components and interconnection devices

Compulsory subject for the Master of Science in Electronic Engineering (first year, first term). This course is meant to extend the subjects of the electronic measurement of the bachelor course. The theoretical lessons deal with: uncertainty estimation according to the probabilistic approach, quality management of measuring instruments (calibration, traceability, metrological confirmation), analysis of the architecture of data-acquisition boards and micro-controller based boards, distributed measuring systems and industrial buses, sensors and conditioning circuitry, spectrum analysis.

Uncertainty estimation according to the probabilistic approach: terms and definitions, estimation of standard uncertainty and expanded uncertainty, propagation of uncertainty, correlated and uncorrelated measurements, numerical examples (0.9 CFU). International organization of metrology and multi-lateral agreements; national calibration systems; calibration and traceability; quality-assurance programs for measuring instrumentation (1.5 CFU). Analysis and development of measuring systems based on data-acquisition boards and micro-controller based boards (2.0 CFU). Distributed measuring systems and industrial buses (0.9 CFU). Working principles of the most commonly used sensors and related conditioning circuitry (1.5 CFU). Spectrum analysis: analogue and digital techniques (1.2 CFU).

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Group essay;
... The final examination aims to check the expected learning outcomes through a written test (2 hours) made up of two parts. The first part includes one problem related to the design and the uncertainty analysis of a data acquisition system (max score 9), while the second part includes 4 questions or exercises (max score 18). The evaluation is based on the correctness of the results and on the capability of designing the data acquisition system according to the measurement requirements. During the written test, reading books or notes is not allowed, with the exception of a document provided by the teacher that summarizes the rules of uncertainty propagation according to the probabilistic approach. The evaluation of the laboratory reports (max score 6), which are based on the completeness of the information and the correct metrological approach, will be summed to the evaluation of the written test (max score 27), thus obtaining the final grade.

Measurement errors: theory and practice (S. Rabinovich). ISO/IEC Guide 98-3:2008 - Uncertainty of measurement - Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement. Practical data communications for instrumentation and control (J. Park, S. Mackay, E. Wright) On the web portal: a book on calibration, traceability and metrological confirmation of measuring instruments; a set of transparencies on the course subjects including examples of the final test questions.

Le informazioni dettagliate sull’insegnamento tirocinio sono consultabili sulla GUIDA STUDENTI, sezione TIROCINIO, dell’anno accademico in corso.

Modalita di esame: Accertamento (esame senza voto);
Exam: Check;

Computer network design and controlThe student will gain knowledge on algorithms and techniques needed to design, run and manage computer networks while providing a proper level of quality to network users. Besides the knowledge on specific algorithms, the students will gain the ability of selecting the proper algorithms depending on the proper networking framework, which includes the used technology, the user-service goals, the user traffic characterization and control, and the quality of service parameters. Different service and quality of service models will be discussed and analyzed. Lab experience will help students in applying concepts to a real, although emulated, network. The students will gain the ability to critically analyze standardization efforts, and to understand the reasons that drove the design choice in standards. A significant ability in discussing algorithm pros and cons is required in the final exam and will be gained during lectures through group discussions. The ability to apply the gained knowledge will be verified through class exercises and discussions, as well as during the oral examination. The oral examination will also help students in improving their communication skills. Abilities and knowledge that will be acquired: • Knowledge of the main methodological tools that can be used to design a networking system. • Knowledge of the main algorithms used to control the network and provide QoS. • Knowledge of the main techniques to manage a network. • Knowledge of the most significant architectures for data distribution. • Ability to understand the fundamental behavior of computer networking systems. • Ability to select the proper set of algorithms and technologies to reach a specific quality goal. • Ability to select the proper set of algorithms and tools to properly manage a network.

Computer network design and controlThe course provides an overview of the main techniques used to design and evaluate the performance of telecommunication networks, focusing on data distribution, network slicing and virtualization, management, planning, design, and quality of service provisioning. Class lectures will introduce techniques to support heterogeneous traffic (voice, video, data) on a single network infrastructure and will discuss how to design computer network systems to reach a given target level of QoS and user satisfaction. Particular attention is devoted to algorithms on one hand and to standardization efforts on the other hand.

Computer network design and control• Fundamental concepts of computer networks with a QoS perspective (16h) o Switching techniques properties (circuit, packet with datagram service, packet with virtual circuit service) (4h) o Topologies, routing and network performance (2h) o Introduction to quality of service techniques and traffic characterization: coding techniques and applications taxonomy (4h) o Recap on main architectures and protocols for quality of service (SDH and WDM, Frame relay, ATM, Ethernet, Internet, wireless LAN) (6h) • Quality of service: standardization efforts (10h) o QoS in Frame Relay and ATM (4h) o QoS in Internet: Intserv and Diffserv. RSVP. MPLS. RTP and multimedia traffic. (6h) • Algorithms to support QoS (20h) o Network planning (2h) o Connection Admission Control (CAC), routing and QoS routing (policy based routing, hierarchical approach) (4h) o Shaping and policing: leaky bucket, token bucket (2h) o Scheduling algorithms: FIFO, priority, RR, DRR, WRR, and WFQ (4h) o Congestion control and fair rate allocation (max-min fairness, buffer monitoring, TCP congestion control) (6h) o Dropping policies and AQM (Active Queue Management) techniques (2h) • Network management (20h) o SNMP protocol, MIB and ASN.1 (2h) o Capacity planning (2h) o Monitoring and measurements (2h) o The SDN (Software Defined Networking) approach (4h) o Network slicing and network function virtualization (2h) o Operational networks: case studies (6h) o Data distribution systems: P2P, CDN, cloud and data center (2h) Seminars given by network provider managers will be presented as concrete examples of operational networks.

Computer network design and controlModalita di esame: Prova orale obbligatoria;
Computer network design and controlExam: Compulsory oral exam;
... Computer network design and controlOral examination on all the topics covered during lectures. The oral exam lasts roughly 15-30 minutes and is typically based on three-four questions on different topics discussed during lectures. Questions are both theoretical and based on short exercise/examples to check the student ability and knowledge to translate the theoretical concepts in practice. Answers are evaluated considering their correctness, the acquired level of knowledge, the ability to be precise and to put the topic in the proper context, the capacity to clearly communicate the technical content, and the ability to apply the acquired know-how to real, operative, networks.

Computer network design and controlThe teaching material is made available in advance by the class teacher on the Didattica web portal. Useful references (books, scientific papers) are also listed for student convenience.

• Knowledge of the general structure of a digital processing system: processing element, memory. I/O, interconnection network and timing. • Knowledge of the main characteristics of general purpose microprocessors: internal structure, taxonomy, programming model. • Ability to integrate additional functions into a processing unit and to interface a coprocessor to a general purpose processor. • Knowledge of existing memory types. Taxonomy, access protocols, physical models, interfacing and choice according to cost, area and performance parameters. • Knowledge of memory hierarchy in a processing system: cache and virtual memory. • Knowledge of the main peripheral devices: Digital and analog I/O, synchronous and asynchronous communication systems. Buffering strategies and clocking schemes, interfacing and implementation methodologies. • Ability to integrate custom peripherals into existing processing units. • Knowledge of the use of programmable logic components (PLD, FPGA) in embedded systems: design flow, area and speed optimization. • Knowledge of interconnection technologies at the physical level: technologies, transmission lines, crosstalk, basics of electromagnetic compatibility. • Knowledge of interconnection technologies at the logical level: topologies, addressing, error handling, examples of standards. • Knowledge of the techniques for the generation and distribution of timing signals. • Knowledge of the techniques for analyzing specification and constraints in complex digital systems. • Ability to understand specifications and requirement in the design of complex digital systems. Analysis of algorithmic choices (based on computational complexity, interconnection bandwidth, data representation both format and bit-width). • Knowledge of standard techniques to design control units in complex digital systems. • Knowledge of standard techniques to design an execution unit either in parallel or sequential form.

The course is taught in English. The course is compulsory (in alternative with Sistemi Digitali Integrati) for the Master Program and is at the 1st semester of the 1st year. The goal is to provide a deep insight into design methodologies of complex digital systems. This task requires a clear view of the possible design choices and the ability to integrate different components. The course will analyze systems composed of microprocessors/microcontrollers, programmable logic, memories and interfaces to the external world. Special emphasis will be given to how to interface, program, interconnect digital blocks and to the "design flow", namely to design tools and methodologies.

The course may be approximately divided into 4 main parts: 1. Computer architectures for embedded systems (3 CFU) a. Microprocessor Architecture b. Peripheral interfacing, DMA and interrupts c. Programmable devices 2. Memory structures (3 CFU) a. Memory technology b. Volatile and non-volatile memory structures c. Cache memories 3. Interconnection and interfacing structures (2 CFU) a. Signal propagation, delay and skew b. Synchronous and asynchronous transfer cycles c. Transactions, Arbitration and Addressing d. Parallel communication structures, bus e. Serial communication structures. Peripheral buses 4. Integrated processing systems (2 CFU) a. Specification and requirements analysis b. Timing analysis in complex digital systems c. Control units and execution units

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova pratica di laboratorio; Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Practical lab skills test; Computer-based written test in class using POLITO platform;
... The verification of the learning will take place through the laboratory work evaluation (optional, but strongly recommended), a written exam (mandatory) and an oral exam (mandatory). The written exam has a duration of approximately 2 hours and is composed of 2 design-based exercises. Books, notes or any other kind of material is not allowed during the exam. The written exam aims to verify design skills acquired by students during the course, in particular the ones related to the structure of digital processing systems, including the ability to design/integrate specific functions into a processing unit and to understand specification and constraints in the design of digital systems. The written exam verifies also the knowledge of the main peripheral devices in a computing system and to use standard techniques to design the different part of a digital system. Each exercise requires the student to detail different steps of the design methodology used to solve the exercise. Students are allowed to take the oral exam if the written exam is rated at least as “sufficient�. The oral exam is made of questions on the theoretical or the descriptive parts of the course as well as on laboratory-related aspects and aims to verify the understanding of these parts of the course. The total exam score is a weighted average of the written (50%) and oral (50%) exam scores, plus the laboratory score and can lead to a maximum score equal to 30 cum laude. Special projects are available for strongly motivated students. A special project leads to at most a +3 to the final score.

The book "Embedded system design" di F. Vahid covers approximately 30% of the course. Slides of the course together with manuals and datasheets of the components analyzed during classes are available. Moreover, all laboratory assignments and material are available as well. All the material is available on "Portale della Didattica".

I contenuti trattati intendono fornire conoscenze e capacità di comprensione, in modo specifico o integrato con i contenuti degli altri insegnamenti della medesima area di apprendimento, e far acquisire allo studente un’appropriata consapevolezza verso i problemi trattati, con riferimento ai seguenti punti: - struttura e componenti delle reti elettriche di distribuzione; - modelli e tecniche numeriche di soluzione delle reti elettriche; - ottimizzazione del funzionamento delle reti elettriche di distribuzione; - impatto della generazione distribuita nelle reti elettriche; - affidabilità e qualità della fornitura dell'energia elettrica. Gli obiettivi minimi riguardano: - capacità di scegliere e interpretare le caratteristiche di funzionamento delle apparecchiature di manovra e protezione per sistemi elettrici di distribuzione; - capacità di impiego dei modelli dei componenti dei sistemi di distribuzione e di scrittura delle equazioni delle reti elettriche; - capacità di applicare almeno una tecnica numerica per la soluzione dei problemi di analisi, riconfigurazione e pianificazione dei sistemi di distribuzione; - capacità di interpretare le problematiche di affidabilità e qualità del servizio nelle reti elettriche di distribuzione; - padronanza dei concetti principali riferiti alla connessione in rete della generazione distribuita.

L'insegnamento si propone di approfondire gli aspetti riguardanti i principali componenti dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica in Media Tensione e in Bassa Tensione e il loro impiego, anche in relazione alla connessione con sistemi in Alta Tensione. Vengono trattati la struttura dei sistemi, le caratteristiche dei componenti e dei dispositivi di protezione, le tecniche di analisi e ottimizzazione delle reti, lo studio dei guasti nelle reti, lo studio della continuita’ e qualita’ del servizio elettrico nelle reti elettriche di distribuzione, gli effetti della diffusione della generazione distribuita connessa in rete, la pianificazione ottimale e la resilienza delle reti. Questi contenuti permettono al laureato magistrale in Ingegneria Elettrica di rivolgersi a vari settori di impiego in ambito industriale, dei servizi, nelle amministrazioni pubbliche, nella libera professione, nella ricerca e nell'insegnamento. Intervengono nelle attivita’ dell'insegnamento alcuni esperti esterni che permettono di effettuare gli opportuni collegamenti fra i concetti trattati e le realta’ applicative.

Il programma è suddiviso in quattro parti. Si riporta nel seguito l'elenco degli argomenti, per l’anno accademico 2026/27 suddiviso nelle versioni riferite al primo anno e al secondo anno della Laurea Magistrale in Ingegneria Elettrica. ----------------------------------------------------------------------------------------------- Versione per il primo anno della Laurea magistrale in Ingegneria Elettrica Parte 1 – Struttura delle reti e modello dei componenti Struttura delle reti di trasmissione e distribuzione. Struttura di una stazione elettrica. Automazione delle stazioni. Metodo dei valori relativi. Parametri e modelli delle linee elettriche. Esempi di applicazione. Caratteristiche dei trasformatori. Modelli per il calcolo dei flussi di potenza. Modello dei generatori. Curve limite di prestazione (capability). Modello dei carichi. Modello dei sistemi di accumulo. Esempi di applicazione. Parte 2 – Metodi di calcolo per le reti Analisi delle reti di distribuzione. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti radiali, ad anello e debolmente magliate. Perdite tecniche e non tecniche, allocazione delle perdite. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti di distribuzione squilibrate. Implementazione del calcolo dei flussi di potenza per reti di distribuzione. Analisi delle reti di trasmissione. Matrice delle ammettenze nodali. Sistema a due nodi. Variabili ed equazioni per il calcolo dei flussi di potenza, metodi di calcolo. Esempi di applicazione. Ottimizzazione delle reti di distribuzione. Funzioni obiettivo e vincoli. Riconfigurazione ottimale. Ottimizzazione multi-obiettivo. Frontiera di Pareto. Ordinamento delle soluzioni con metodo TOPSIS. Coordinamento tra gli operatori delle reti di trasmissione e distribuzione. Parte 3 – Guasti, protezioni e risorse distribuite Definizioni di sovracorrente, sovraccarico e cortocircuito. Transitorio di cortocircuito. Arco elettrico. Interruzione di correnti alternate. Tensione transitoria di ritorno. Interruzione di circuiti trifasi. Apparecchi di manovra e protezione. Interruttori. Fusibili. Trasformatori di misura. Contattori. Schemi funzionali. Laboratorio per prove termiche e per forti correnti. Studio dei guasti. Componenti simmetriche. Modello dei componenti. Guasti con equilibrio e squilibrio del sistema. Metodo di sovrapposizione degli effetti. Buchi di tensione. Propagazione dei guasti. Matrice dei buchi di tensione. Regolamentazione di ARERA. Protezione delle reti di trasmissione con relè distanziometrico direzionale a impedenza. Stato del neutro per reti di trasmissione e distribuzione. Generazione distribuita e risorse distribuite. Hosting capacity. Evoluzione della regolamentazione. Funzionamento in isola. Modello della generazione rinnovabile in condizioni di incertezza. Modello probabilistico dei carichi e dei generatori. Calcolo probabilistico dei flussi di potenza. Controllo della tensione nei sistemi con generazione distribuita. Fault ride-through capability. Problemi di frequenza con generazione distribuita. Protezione del sistema locale con relè di tensione e frequenza. Parte 4 – Pianificazione e qualità del servizio elettrico Continuità del servizio e resilienza. Guasti e ripristino del servizio nelle reti di distribuzione. Modello affidabilistico dei componenti riparabili. Indicatori di affidabilità per la rete di distribuzione. Smart fault selection. Regolamentazione di ARERA. Qualità commerciale. Riconfigurazione in condizioni di emergenza, funzione obiettivo e vincoli. Resilienza delle reti di trasmissione e di distribuzione. Pianificazione ottimale delle reti di distribuzione. Funzione obiettivo e vincoli. Pianificazione operativa ottimale, soluzioni con ricerca esaustiva e algoritmi genetici. Pianificazione con espansione del sistema. Qualità delle forme d’onda. Indicatori di squilibrio delle reti. Campionamento, deduzione della trasformata discreta di Fourier. Armoniche e interarmoniche: concetti base, indicatori, standard IEC, gruppi e sottogruppi armonici e interarmonici. Armoniche nelle reti elettriche, condizioni di risonanza. Armoniche nei sistemi trifase squilibrati. Soprarmoniche. Potenze con forme d’onda distorte. Calcolo di flussi di potenza con armoniche. Filtraggio delle armoniche. Flicker. Oltre l’analisi di Fourier. ----------------------------------------------------------------------------------------------- Versione per il secondo anno della Laurea magistrale in Ingegneria Elettrica Parte 1 – Struttura delle reti e modello dei componenti Struttura delle reti di trasmissione e distribuzione. Struttura di una stazione elettrica. Automazione delle stazioni. Caratteristiche delle linee elettriche e dei trasformatori. Modelli per il calcolo dei flussi di potenza. Modello dei generatori. Curve limite di prestazione (capability). Modello dei carichi. Metodi di clustering per l’analisi dei carichi. Definizione dei dati di ingresso. Applicazione dei metodi di clustering. Valutazione dei risultati del clustering. Modello dei sistemi di accumulo. Esempi di applicazione. Parte 2 – Metodi di calcolo per le reti Analisi delle reti di distribuzione. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti radiali, ad anello e debolmente magliate. Perdite tecniche e non tecniche, allocazione delle perdite. Calcolo dei flussi di potenza nelle reti di distribuzione squilibrate. Implementazione del calcolo dei flussi di potenza per reti di distribuzione. Ottimizzazione delle reti di distribuzione. Funzioni obiettivo e vincoli. Riconfigurazione ottimale. Ottimizzazione multi-obiettivo. Frontiera di Pareto. Ordinamento delle soluzioni con metodo TOPSIS. Coordinamento tra gli operatori delle reti di trasmissione e distribuzione. Implementazione dei meccanismi di chiusura e apertura di rami e calcolo delle funzioni obiettivo. Parte 3 – Guasti, protezioni e risorse distribuite Definizioni di sovracorrente, sovraccarico e cortocircuito. Transitorio di cortocircuito. Arco elettrico. Interruzione di correnti alternate. Tensione transitoria di ritorno. Interruzione di circuiti trifasi. Apparecchi di manovra e protezione. Interruttori. Fusibili. Trasformatori di misura. Contattori. Schemi funzionali. Laboratorio per prove termiche e per forti correnti. Buchi di tensione. Propagazione dei guasti. Matrice dei buchi di tensione. Regolamentazione di ARERA. Caratterizzazione dei buchi di tensione. Abaco per la valutazione dei buchi di tensione. Indagini sui buchi di tensione. Protezione delle reti di trasmissione con relè distanziometrico direzionale a impedenza. Stato del neutro per reti di trasmissione e distribuzione. Generazione distribuita e risorse distribuite. Hosting capacity. Evoluzione della regolamentazione. Funzionamento in isola. Modello della generazione rinnovabile in condizioni di incertezza. Modello probabilistico dei carichi e dei generatori. Calcolo probabilistico dei flussi di potenza. Controllo della tensione nei sistemi con generazione distribuita. Fault ride-through capability. Problemi di frequenza con generazione distribuita. Protezione del sistema locale con relè di tensione e frequenza. Parte 4 – Pianificazione e qualità del servizio elettrico Continuità del servizio e resilienza. Guasti e ripristino del servizio nelle reti di distribuzione. Modello affidabilistico dei componenti riparabili. Indicatori di affidabilità per la rete di distribuzione. Smart fault selection. Regolamentazione di ARERA. Qualità commerciale. Riconfigurazione in condizioni di emergenza, funzione obiettivo e vincoli. Resilienza delle reti di trasmissione e di distribuzione. Pianificazione ottimale delle reti di distribuzione. Funzione obiettivo e vincoli. Pianificazione operativa ottimale, soluzioni con ricerca esaustiva e algoritmi genetici. Pianificazione con espansione del sistema. Qualità delle forme d’onda. Indicatori di squilibrio delle reti. Campionamento, deduzione della trasformata discreta di Fourier. Armoniche e interarmoniche: concetti base, indicatori, standard IEC, gruppi e sottogruppi armonici e interarmonici. Armoniche nelle reti elettriche, condizioni di risonanza. Armoniche nei sistemi trifase squilibrati. Soprarmoniche. Potenze con forme d’onda distorte. Calcolo di flussi di potenza con armoniche. Filtraggio delle armoniche. Flicker. Oltre l’analisi di Fourier. Laboratorio di qualità delle forme d’onda. Valutazione degli indicatori ed esempi di applicazione. Elaborazione dei risultati delle misure.

Modalita di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
... L’insegnamento riguarda un vasto insieme di concetti e applicazioni. Per accertare le conoscenze, le competenze e la consapevolezza che lo studente ha raggiunto al termine delle attività svolte, la prova orale offre l’ampiezza appropriata per pervenire a un’adeguata valutazione. Il file contenente il consuntivo dettagliato degli argomenti svolti, riferito alle varie parti del programma svolto, viene inserito dal docente sul portale della didattica al termine delle attività e serve come riferimento per la preparazione dell'esame. L’accesso alla prova orale è subordinato alla verifica (senza voto) di saper risolvere alcuni problemi con l'uso del calcolatore; tali abilità vengono verificate nel corso delle esercitazioni, sulla base dell'ottenimento dei risultati previsti dall'esecuzione dei programmi di calcolo, oppure successivamente con appuntamento concordato con il docente per chi non ha terminato le attività durante le esercitazioni. Non è prevista la stesura di relazioni. Le date di esame vengono concordate con la Commissione all'interno dei periodi di esame prestabiliti. La discussione orale comprende di norma quattro domande, una per ogni parte del programma svolto, e può richiedere la discussione del materiale prodotto durante le esercitazioni o laboratori e l'esecuzione di calcoli con calcolatrici portatili o al calcolatore. La durata approssimativa della prova è da 40 a 60 minuti. Durante la prova orale non è possibile consultare appunti, materiale o persone. Lo studente ha la possibilità di ritirarsi dall’esame prima di iniziare con la seconda domanda. A partire dall'inizio della seconda domanda l'esame sarà completato e lo studente riceverà il voto dalla Commissione. L'esame viene superato se sono stati raggiunti gli obiettivi minimi indicati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". Il mancato raggiungimento di uno o più obiettivi minimi comporta il non superamento dell'esame. Nel caso di risposte particolarmente efficaci, la Commissione potrà proporre allo studente una domanda addizionale per il conseguimento (qualora la risposta sia ancora particolarmente efficace) della lode. Nel caso di mancato superamento dell’esame, la prova di accesso all’esame orale rimane valida senza limiti.

Appunti dalle lezioni e documentazione disponibile sul portale della didattica. Non esiste alcun testo commerciale che comprenda integralmente gli argomenti trattati. Libri di riferimento: W. H. Kersting, Distribution systems modeling and analysis (fourth Edition) CRC Press (ISBN 9781498772136), 2017. J. Grainger, W.D. Stevenson, Power System Analysis, McGraw-Hill (ISBN 9780070612938), 1994. G. Graditi, M. Di Somma (ed.), Distributed Energy Resources in Local Integrated Energy Systems, Elsevier ((ISBN 978-0-12-823899-8), 2021. J. Arrillaga, N.R. Watson, Power system harmonics, 2nd edition, Wiley (ISBN 0-470-85129-5), 2003. R. Billinton, R.N. Allan, Reliability evaluation of power systems, 2nd edition, Plenum Press, New York (ISBN 0-306-45259-6), 1996. R.E. Brown, Electric power distribution reliability, Marcel Dekker (ISBN 0-8247-0798-2), 2002. V. Cataliotti, Impianti elettrici, Vol. III: Analisi dei sistemi di distribuzione a media e bassa tensione, Flaccovio, Palermo (ISBN 8878042579). N. Jenkins, R. Allan, P. Crossley, D. Kirschen, G. Strbac, Embedded generation, IET (ISBN 978-0-85296-774-4), 2000. D.N. Gaonkar (ed.), Distributed Generation, Intech (ISBN 978-953-307-046-9), 2010. Altri riferimenti: R.D. Garzon, High Voltage Circuit Breakers, Dekker, New York (ISBN 0-8247-9821-X), 1997. M. Khalifa (ed.), High-Voltage Engineering - Theory and practice, Dekker, New York (ISBN 0-8247-8128-7), 1990. T.E. Browne, Jr. (ed.), Circuit interruption - Theory and techniques, Dekker, New York, (ISBN 0-8247-7177-X), 1984.

• Knowledge of existing memory types: type, access methods, physical model, interfaces, hierarchy; ability to choose based on cost / area / performance. • Knowledge of the architecture of high performance PLDs and FPGAs: internal architecture, design flow, optimizations, size, speed. • Capacity to design digital operational units, to describe them in VHDL/Verilog language, to simulate the behaviour and to implement them according to specifications (synthesis on programmable device, high-level programming on microprocessors, ...). • Knowledge of the structure of the main peripherals used: digital I/O, buffering strategies, timing systems, synchronous and asynchronous communication systems; ability to choose appropriate methodologies for implementation and interfacing. • Capacity to define the necessary blocks in an embedded system starting from a specification and to define the design constraints (microprocessor/microcontroller, memories, programmable devices, power systems, conversion systems, peripherals, bus) and their interfacing. • Knowledge of issues relating to interconnections: technologies, synchronous and asynchronous protocols, performance evaluation. • Knowledge of various types of A/D and D/A converters, their characteristics and associated circuits; ability to choose analog integrated components and design of the required circuits for their use and interfacing. • Knowledge of the characteristics of different types of voltage regulators, switching and dissipative, and criteria for selection of active and passive components; ability to design low power regulators.

Required course for the Embedded System curriculum, jointly held between Electronics Engineering and Computer Science master degree programs, in the first didactic period of the first academic year. The course aims to describe and test the major digital and analog blocks on a board and to identify key issues relating to their communication. In particular, it describes the main micro-architectural structures for the processing, control and storage of data and will make a practical description in the laboratory. Problems related to communication between blocks on the board (use of interfaces for complex communications systems, communication standards, etc…) are analysed and experimented in the laboratory. It outlines issues and will explore the use of different complex programmable and embedded systems on boards based on microprocessor or microcontrollers, FPGAs and current peripheral devices.

1) Embedded systems (0,5 CFU) a) Definition, classification and examples b) Design metrics (costs, performance, time to market) c) Anatomy of an embedded system and summary of course topics 2) Reminders (0,5 CFU) a) Amplifiers with Operational Amplifiers b) Comparators c) Combinational and sequential digital circuits 3) Memories (1,5 CFU) a) ROM, OTPROM, EPROM, EEPROM, Flash b) Static and dynamic RAMs c) Timing diagrams d) Memory composition and microprocessor interfacing e) Memory hierarchies and caches 4) Programmable logic (1,5 CFU) a) Programmable devices: PAL, PLA, CPLD b) Field Programmable Gate Array (FPGA) c) Technologies for FPGA d) Design flow e) FPGA resources (memories, multipliers, PLL, clock) 5) Input/Output (1,5 CFU) a) Reminders on serial and parallel protocols, delays, skew b) Synchronous transmission and clock data recovery c) Examples: UART, SPI, I2C, CAN, USB d) Interconnection and signal integrity problems 6) Processor peripherals (1,5 CFU) a) General introduction to embedded processors and their peripherals b) Internal structure, address decoders, configuration registers c) Microprocessor interfacing: polling, interrupt, DMA d) Examples of microprocessor peripherals: GPIO, Timer, Counter, PWM, I2C master, SPI master, Memory controller d) Communication bus: AMBA, AXI 7) A/D and D/A conversion (1,5 CFU) a) Reminders on A/D and D/A conversion systems, sampling, aliasing, quantization, errors, ENOB b) D/A converters (classification, static and dynamic parameters, linear and non-linear errors) c) D/A converter circuits d) A/D converters (classification, static and dynamic parameters, linear and non-linear errors) e) A/D converter circuits (Flash, Staircase, Tracking, SAR) f) Advanced converters (Residue, Pipeline, Delta, Sigma/Delta) g) Signal conditioning h) Acquisition systems, Sample&Hold circuits 8) Power electronics (1,5 CFU) a) Power devices, thermal behavior b) Low side, high side, H-bridge driving of loads c) Basic design principles of a voltage regulator d) Linear regulators (drop-out, ripple, currents) e) Switching regulators (Buck, Boost, Buck-Boost)

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato progettuale individuale;
Exam: Written test; Optional oral exam; Individual project;
... Written exam (3 hours time) with theoretical questions and numerical exercises and/or design, with a total of 5 questions/exercises, with the aim of evaluating the theoretical knowledge and the capacity to apply it to practical cases (understanding of the topics covered in the course and ability to describe the features, advantages and disadvantages of the various blocks that constitute an embedded system; ability to compare different blocks and techniques from the point of view of costs and performance; capacity of applying analysis and design procedures in numerical examples). The written exam may be followed by an optional oral discussion. With the written exam only it is possible to get 30/30 with honors, and it is considered passed if it reaches 18/30. During the written exam it is not possible to use books, notes or other material. If the written exam reaches a minimum of 15/30, the student can ask for a brief optional oral exam (one or two questions), to be held in the days following the written exam, which can increase or decrease the final grade. Reports for the laboratory sessions contribute to the final evaluation (up to 2 points). Individual projects proposed by the students can be considered in place of the written exam. The content of the project should cover all topics of the course and is proposed by the student and discussed with the professor, until a satisfactory proposal is reached. A project must cover all the subjects of the course, it should be implemented on physical boards (not provided by the instructor), and for the final evaluation the student should write a report describing the project and should show a demo of the project working on the boards. During the demo the professor asks questions about the implementation and the design choices, and may ask to apply small changes to the code (hardware or software) to verify the abilities of the student. With the project it is possible to get 30/30 with honors, and it is considered passed if it reaches 18/30.

C. Passerone, "Analog and Digital Electronics for Embedded Systems", CLUT, 2015 Jan Rabaey, "Digital Integrated Circuits. A Design Perspective", Pearson Education, 2003 W. Dally, J. Poulton, " Digital Systems Engineering", Cambridge University Press. Course slides and solutions of past exams will be uploaded on the course web site.

By the end of the course, students will be able to: - Master the principles and implementation of real-time digital control for electrical drives. - Acquire in-depth knowledge of microcontroller architectures and professional software development toolchains. - Simulate and experimentally validate discrete-time control algorithms for power converters and electric drives in a laboratory environment. - Analyze and solve case studies involving DC/DC converters, asynchronous and permanent magnet synchronous motor drives, as well as single- and three-phase active rectifiers. - Carry out experimental validation for selected case studies. - Prepare comprehensive technical reports documenting their individual or group projects, including experimental or simulation results.

Embedded Control of Electrical Drives is a core course within the Master’s Degree in Electrical Engineering, specifically tailored for the Electrical Drives for Mobility program. It is also available as an elective for students enrolled in the broader MSc curriculum in Electrical Engineering. The course equips students with advanced methods and practical tools for the embedded control of power converters and electrical drives, covering both hardware and software perspectives. Through a combination of lectures and extensive hands-on laboratory sessions, students gain direct experience in simulating, developing, and independently validating control strategies for electric drives. In addition to technical proficiency, the course emphasizes autonomy and the ability to produce clear, structured technical reports.

Lectures (40 hours): - Introduction to embedded control systems - STM32 Industrial Microcontroller Unit (MCU) - Timer units: PWM mode, capture mode, and internal watchdog timer - Digital I/O and ADC units - Serial communication and USART interface - Quadrature encoder and encoder unit - Control of AC motor drives (induction motors, permanent magnet synchronous motors) - Parameter identification (back-EMF, inductance, flux maps, inverter error) - Grid-connected converters and simulation with PLECS - Sensorless control of synchronous motor drives Hands-On Laboratory (40 hours): - C programming fundamentals for embedded control - STM32 Nucleo boards and add-on modules - STM32 toolchain for software development and debugging - PWM timer configuration, synchronization, STM32CubeMX usage, and logic analyzer - ADC, DAC, watchdog timer, and virtual oscilloscope - Induction motor control: V/Hz, I-Hz methods - SPM machine control: alignment, parking, I-Hz, field-oriented control (FOC) - MCU code generation using PLECS - Control of active rectifiers in PLECS and Hardware-in-the-Loop (HIL) implementation

Modalita di esame: Prova orale obbligatoria; Prova pratica di laboratorio; Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Practical lab skills test; Group project;
... Assessment consists of: - A compulsory oral exam, starting with the discussion of an individual or group project. The project involves the experimental implementation of a digital control algorithm and requires submission of a technical report. - The project, which can be completed individually or in teams of two members, is graded up to 15/30. If the project receives a grade of 6/15 or higher, the oral exam continues with two questions covering any course topic. This part is also graded up to 15/30. - The final grade is the sum of the project and oral exam scores.

• Class notes (provided online) - STM32 ARM Microcontroller and Nucleo Board documentation - D.W.J. Pulle et al., Applied Control of Electrical Drives, Springer, 2015 - B.K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR, 2002 - G. Ellis, Control System Design Guide, Academic Press, 2000 - R. Isermann, Digital Control Systems, Springer, 1989 - M. Pastorelli, Electrical Drives (Class notes, Politecnico di Torino) - M. Rossi, Introduction to Microcontroller Programming for Power Electronics Control Applications: Coding with MATLAB® and Simulink®, CRC Press, 2023 - E. Armando, course handouts “Conversione Statica dell’Energia Elettrica� - M. Pastorelli, course handouts “Azionamenti elettrici� Additional resources: slides, solved and unsolved exercises, laboratory tutorials, recorded lectures, and simulation tools.

Al termine dell’insegnamento, lo studente dovrà essere in grado di: • conoscere e comprendere le problematiche relative alle sovratensioni ed al coordinamento dell’isolamento; • comprendere le problematiche relative alla misura di alte tensioni; • applicare le conoscenze acquisite per la scelta delle protezioni contro le sovratensioni; • conoscere e comprendere la struttura dei sistemi di alimentazione per la trazione in corrente continua e le problematiche relative a sovracorrenti, correnti vaganti, sovratensioni e protezione delle persone; • applicare le conoscenze acquisite per valutare la sicurezza di un impianto per la trazione e proporre soluzioni migliorative; • conoscere e comprendere le problematiche di sicurezza di alcune particolari situazioni impiantistiche ed attività , quali ad esempio cantieri di costruzione e di demolizione, luoghi conduttori ristretti, sistemi fotovoltaici, luoghi a maggior rischio in caso di incendio e lavori elettrici; • conoscere e comprendere le principali problematiche relative alla simulazione dinamica dei sistemi elettrici ed i principali strumenti per la simulazione; • sviluppare semplici modelli di componenti e sistemi elettrici e simularne il comportamento in condizioni di funzionamento anomalo.

L'insegnamento si colloca nel percorso impiantistico progettuale. Il programma è coordinato con gli altri insegnamenti dell’orientamento ed in particolare con “Distribuzione e utilizzazione dell'energia elettrica� e con “Progettazione di impianti elettrici�. L’insegnamento si propone di approfondire alcune tematiche specifiche relative alla progettazione, gestione, manutenzione e simulazione dei sistemi elettrici. Vengono trattati dal punto di vista teorico le sovratensioni ed il coordinamento dell’isolamento, gli impianti elettrici per la trazione in corrente continua, i lavori elettrici, gli impianti elettrici per ambienti e applicazioni particolari e nei luoghi con pericolo di esplosione. Viene trattata inoltre la simulazione dei transitori elettromagnetici (EMT) dei sistemi elettrici in corrente continua ed alternata. Accanto agli approfondimenti teorici si dedica spazio ad esempi applicativi tipici della futura attività professionale, ad esercitazioni di calcolo, laboratori e visite tecniche.

Il programma è suddiviso in quattro parti. Si riporta nel seguito l'elenco degli argomenti con il numero di ore indicativo per ciascuna parte. PARTE I - Sovratensioni [20h] • Aspetti generali Introduzione al problema delle sovratensioni. Sovratensioni di origine interna e di origine esterna. Generazione e misura di alte tensioni continue, alternate e impulsive. Tecniche di prova in alta tensione. Quadro normativo. • Sovratensioni di origine atmosferica Sovratensioni di origine atmosferica. La corrente di fulmine. Principali criteri per la protezione di strutture. Valutazione del rischio. LPS esterno. Scaricatori e limitatori di sovratensione: caratteristiche, scelta ed installazione. • Coordinamento dell’isolamento Livelli di isolamento. Trattazione probabilistica del coordinamento. Applicazione alle strutture delle stazioni elettriche. PARTE II - Impianti elettrici per la trazione in corrente continua [20h] • Struttura e protezione dei sistemi Struttura dei sistemi elettrici per la trazione. Stazioni di conversione. Interruzione di correnti continue. Sistemi di protezione. • Aspetti applicativi per la trazione ferroviaria e tranviaria Problematiche relative al riconoscimento delle sovracorrenti. Problematiche relative a tensioni pericolose. Problematiche relative alle correnti vaganti ed ai fenomeni di corrosione. Problematiche legate alle sovratensioni transitorie. Esempi applicativi. PARTE III - Applicazioni di sicurezza elettrica [20h] • Lavori elettrici Quadro legislativo e normativo. Profili professionali e responsabilità . Lavori elettrici in bassa tensione e in media tensione. Tipologie di lavoro: lavoro senza rischio elettrico, lavoro non elettrico, lavoro fuori tensione, lavoro sotto tensione, lavoro in prossimità di parti attive. Il rischio di folgorazione e le problematiche relative all’arco elettrico. Procedure di lavoro, attrezzi e DPI. Esempi applicativi. • Impianti elettrici per ambienti e applicazioni particolari Quadro normativo. impianti elettrici nei cantieri di costruzione e di demolizione. Luoghi conduttori ristretti. Sistemi fotovoltaici. Impianti elettrici nei luoghi a maggior rischio in caso di incendio. Impianti elettrici nei locali ad uso medico. Impianti elettrici di prova: stazioni di prova prive di protezione automatica contro i contatti diretti. Stazioni di prova con protezione automatica contro i contatti diretti. Analisi di casi reali. • Impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione Atmosfere esplosive per la presenza di gas e per la presenza di polveri combustibili. Classificazione dei luoghi. Progettazione, scelta ed installazione degli impianti elettrici nei luoghi con pericolo di esplosione. Quadro normativo. PARTE IV - La simulazione dei transitori elettromagnetici dei sistemi elettrici in corrente alternata e corrente continua [20h] • Modelli e metodi Metodi numerici per la simulazione dei transitori elettromagnetici. Esempi di problemi numerici e corretta modellazione del sistema. • Hardware e software di simulazione Principali software di simulazione offline. La simulazione real-time e le possibilità di studi con Hardware-In-the-Loop e Power Hardware-In-the-Loop. • Applicazioni Modello del sistema elettrico e dei sistemi di controllo. Esempi di simulazione applicati allo studio di guasti e sovratensioni.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;
Exam: Written test; Optional oral exam;
... L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma ufficiale dell'insegnamento e la capacità di applicare la teoria ed i relativi metodi di analisi e di scelta alla soluzione di esercizi, coerentemente con i risultati di apprendimento attesi. La valutazione finale è effettuata mediante una prova scritta in aula, della durata di 60 minuti ed una prova orale integrativa facoltativa. La prova scritta verte sull'intero programma dell'insegnamento ed è costituita da domande a risposta multipla di teoria, da domande a risposta multipla o a risposta numerica che prevedono lo svolgimento di un breve esercizio e da brevi domande di teoria e di calcolo aperte. Le competenze principali valutate sono l’abilità di illustrare concetti, formulare problemi, descrivere i metodi di soluzione e risolvere esercizi numerici. I punteggi assegnati alle domande saranno diversi, in funzione del tipo di domanda, e saranno indicati nel testo. In caso di risposta sbagliata ad una domanda a risposta multipla, ci sarà una penalizzazione pari al 25% del punteggio assegnato alla domanda. Chi avrà ottenuto un punteggio complessivo superiore a 15/30 potrà richiedere una prova orale integrativa (facoltativa) che permette di modificare il voto di massimo +o- 3 punti. Per ottenere la lode è necessario sostenere l'orale integrativo. L'orale integrativo ha una durata di circa 15/20 minuti, verte sull'intero programma dell'insegnamento e consiste in due domande o brevi esercizi. Durante lo scritto è ammesso l’uso della calcolatrice e di fogli di brutta. Non è consentita la consultazione di materiale o appunti né di telefoni o altri dispositivi di comunicazione.

Appunti dalle lezioni e documentazione disponibile sul portale della didattica. Non esiste alcun testo commerciale che comprenda integralmente gli argomenti trattati. Si suggeriscono tuttavia alcuni testi per consultazione ed approfondimenti: • G. Conte, Manuale di impianti elettrici, Hoepli, 2020. • F.M. Gatta, Impianti Elettrici 2, Esculapio, 2018. • M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli, Electrical Railway Transportation Systems, IEEE Press Wiley, 2018. • E. Tartaglia, La sicurezza elettrica in ambiente ferroviario, Il mio Libro, 2021. • V. Medved, R. Schinco, Le correnti di corto circuito negli impianti elettrici at, mt e bt origine, effetti, criteri di calcolo e di eliminazione, Editoriale Delfino, 2013. • N. Watson, J. Arrillaga, Power Systems Electromagnetic Transients Simulation (2nd Edition), Institution of Engineering and Technology (IET), 2019.

The student acquires the following knowledge: -- How to describe motion of a rigid body in the space and related mathematical tools: vectors, matrices, fixed and mobile reference systems, translation and rotation matrices, Euler angles, quaternions; -- How to introduce generalized coordinates and compute positions, attitudes, linear and angular velocities of rigid bodies as functions of generalized coordinates (direct/inverse kinematics); -- Lagrangian approach to dynamics: kinetic and potential energy, Rayley dissipation function, virual work; -- How to transform dynamical equations into the state-space form and linearize them; -- How to describe the structure of a system; various types of analytical representation (linear, non-linear, time invariant, time-varying, etc.) and their representations based on physical principles; - The concepts of flows and efforts; power and the bond-graph methodology; The student develops the following abilities: - Ability to describe a rigid body in space and its motion using vectors and matrices (rotation and homogeneous); - Ability to compute analytically and numerically the kinetic and potential energy of a system that includes many bodies (multi-body analysis); - Ability to write the Lagrange equation, to transform in state variable equations and use for model simulation; - Ability to write the Bond-Graph model, to transform in state variable equations and use for model simulation; - Ability to use the above methods for modeling mechanical, electromagnetic and electromechanical systems such that actuators and transducer (electromagnets, capacitive, moving-coil transducers, piezoelectric material, etc.).

To predict when the engine of our car needs maintenance, to design an algorithm that will land a spacecraft on the Moon, and to build a realistic digital twin of a smart factory we need a computer model of the system. The heart of every computer model is a mathematical model, that is, a system of mathematical equations (state equations) that governs the system's dynamics. Modern mechatronic systems are very complex and comprise components of different nature (mechanical, electromagnetic, hydraulic etc.) However, general methods exist that allow to derive mathematical models. This course introduces two approaches to complex systems modeling. The first one is based on Lagrangian formalism (generalized coordinates, energy functions, Lagrangian equations of motion), and the second one is based on bond graph diagrams (components, ports, effort and flow variables).

1. Introduction, examples of mechanical, electrical, hydraulic, electromechanical equipment, definition of power, energy and co-energy. (8 hours) 2. Analytical models: understanding of the system structure, of the analytical representation (linear, nonlinear, time invariant, time varying, etc.) and its representation based on physical principles. (10 hours) 3. Definition of the effort and flux variables in mechanical, electrical and hydraulic systems. (8 hours) 4. State functions: kinetic co-energy and potential energy. (10 hours) 5. Mathematical language needed in the course: vectors and matrices, rigid body kinematics and dynamics, generalized variables, degrees of freedom, constraints, holonomicity. Roto-translations of rigid bodies. general properties of the body dynamics: inertia, dissipation, elasticity. (8 hours) 6. Lagrange Equations. (8 hours) 7. Bond-graph modelling based on power exchange between subsystems. Power variables, reversibility, construction rules, relation between bond-graphs and block diagrams. (12 hours) 8. Configuration space and state equations. The dynamic system as a unifying mathematical representation. Linear and nonlinear models, Fundamental properties: stability and passivity. (8 hours) 9. How to write the equations that describe the interactions inside electromechanical actuators and transducer, as electromagnets, capacitive transducers, moving coil transducers, piezoelectric materials, synchronous motors. (10 hours) 10. Mechanical models of the rigid body, finite elements models. Finite elements models of lumped parameters electrical and electronic systems. Modal reduction techniques and bond-graph representation. (10 hours) 11. Examples and implementation of simulated systems. (8 hours)

Modalita di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
... The duration of exam is 2hours 20minutes. The exam includes 8 problems (which may be concerned with knowledge of theory, numerical computations, drawing of Bond graph diagrams, deriving of state-space equations etc.) -- 5 multiple-choice problems related to Lagrange equations (2 points in each problem, no penalty for wrong answers); -- 5 multiple-choice problem related to bond graph diagrams (2 points in each problem, no penalty for wrong answers); -- 1 open question, Lagrange equations (up to 6 points, partial grading may apply); -- 1 open question, bond graph diagrams (up to 6 points, partial grading may apply). The maximal mark is 5*2+2*6=32 (marks strictly greater than 30 are registered as 30 e lode). The exam is paper-based and closed-books. Students are allowed to bring ONE A4 PAPER as a formulary. The use of notes, books, or electronic devices is not permitted.

For the Lagrange approach: B. Bona, "Dynamic Modelling of mechatronic Systems", CELID, 2013 For the Bond-graph approach : Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, "System dynamics: modeling and simulation of mechatronic systems", New York, Wiley, 2000. Slides, notes and other written material is available through the course web page

The students must be able to: • Understand and analyze both known and unknown converter topologies to evaluate properly the advantages and disadvantages with respect to the application. • Understand and adopt the best topology of a power electronic converter for the considered application. • Be able to compare power converter topologies in terms of complexity, control, efficiency (according to the adopted switch technology) and cost. • Input/output filter design. • Work in a team and present in public her/his work along with the other team members. • Simulate the power converter under study using advanced simulation tools, such as PLECS.

Power Electronics (PE) is an enabling technology for strategic applications, such as transportation electrification, grid integration of renewables and storage, and high-efficiency industrial machinery. The course will provide advanced concepts regarding topology selection and control of power electronic converters for energy transition, using the Project-Based Learning (PBL) teaching methodology. The PBL approach is known to be a motivating problem-centered teaching method that allows the student to apply their theoretical knowledge in a most efficient way in a working team for: • Implementing effective cooperation with others within the specific design project to distribute workload, analyze problems, and help each other. • Writing technical reports and presenting one's own work to others, including the external examiner. Today, engineers dealing with emerging and fast-developing technologies work in multi-disciplinary teams involving people with different backgrounds in areas such as electrical, thermal, embedded control, mechanical, signal processing, etc. Following this multi-disciplinary approach, this course will provide knowledge in the fields of power electronic converters and their control, applied to multiple application fields. As the student evaluation will be done with a project, this course becomes a Project-Based Learning example, for which the student will learn by working on a project with a specific problem to be solved.

Introduction: power electronics as enabling technology, academic team, course objectives and description of evaluation through project work. Short overview on distributed generation and storage: the need for power electronic converters as power electronic interface. Application oriented power electronic converters: AC-DC, DC-DC, DC-AC, with examples for renewables/storage integration and eMobility. Control of of power converters: control schemes for AC/DC, DC/DC and DC/AC converters, design of current and voltage controllers Analysis of power converters for energy transition: solar applications, wind applications, charger applications, active filters and static transformers. Design of filters for power converters. Advanced control for grid connected power converters for grid support. Design of power converters: thermal desig, loss computation, gate drivers, sensing. • Simulation of power converters using PLECS Analysis and modeling of energy sources for eMobility: batteries and fuel cells. Torque control solutions for eMobility: analysis and design of most employed torque controllers for traction AC motors.

Modalita di esame: Elaborato progettuale in gruppo;
Exam: Group project;
... The group project is dedicated to selecting the topology, designing the control system, and simulating a power electronic converter for a specific application (e.g., renewables/storage integration into the grid, eMobility, electrolysers for hydrogen production, power transmission). The academic team will provide a list of projects within about four weeks of the course starting. Based on their common interests, the students must assemble into up to three—or four-person teams. Each team will select a project from the list. The assessment consists of a final report that must be presented during an oral exam by the entire team. The final report is a document (edited in Word or Latex) supported by simulation models and any other software tools used for the project. It must be presented in PowerPoint. The academic team will provide the document template (Latex is preferred) and PowerPoint template. The final score is calculated as the weighted arithmetic mean between the report (60%) (evaluated for technical content, technical clarity, and writing clarity), and the score for the presentation of the results during the oral exam (40%). The report score cannot be subject to score refusal.

Books: • R. Teodorescu, M. Liserre, P. Rodriguez, “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems�, IEEE, 2011. • Rashid, M. H., 'Elettronica di Potenza', Prentice Hall • Ali Emadi, "Advanced Electric Drive Systems", CRC Press, 2014. • Chris Mi, “Hybrid Electric Vehicles�, John Wiley&Sons, 2018. Operating manuals and application notes: • PLECS User Manual Scientific IEEE papers on power electronics, source: https://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp T The IEEE Explore can be accessed using Polito networks. Other specific material, such as academic courses,, scientific papers, will be provided on the web portal by the academic team.

Conoscenza degli aspetti tecnici e normativi riguardanti la progettazione di impianti elettrici d'utente e per la generazione da fonti rinnovabili. Capacità di impostare gli obiettivi progettuali e di tradurli operativamente in un piano di convenienza tecnico-economica e in una documentazione progettuale (relazioni tecniche, schemi e disegni, computi). Conoscenza di soluzioni impiantistiche in ambienti normali e particolari.

L'insegnamento si propone di fornire i fondamenti per lo sviluppo di progetti professionali di impianti elettrici di utente, includendo le problematiche relative alla scelta e al dimensionamento di impianti illuminotecnici, di generazione da fonte rinnovabile, impianti in ambienti particolari, tenendo conto degli aspetti di gestione economica e manutenzione. Le presentazioni teoriche vengono consolidate dallo sviluppo di un progetto di distribuzione elettrica primaria, all’interno di un edificio a destinazione specializzata, dotato anche di un impianto di generazione da fonte rinnovabile. L'insegnamento mira a far acquisire all’Allievo capacità di lavoro in gruppi progettuali, con ripartizione dei compiti operativi, e ad usare alcuni software d’ausilio per la progettazione.

1. Introduzione alla progettazione degli impianti elettrici 1.1. Riferimenti progettuali 1.2. Progettazione integrata 1.3. Tipi di progetto 1.4. Strumenti CAD per la progettazione 1.5. Schemi e simbologia elettrica 2. Componenti principali per gli impianti di energia 2.1. Trasformatori 2.2. Apparecchiature di manovra e protezione 2.3. Quadri elettrici MT e BT 2.4. Cavi e canalizzazioni 3. Caratterizzazione elettrica delle utenze 3.1. Diagrammi di carico e parametri caratteristici 3.2. Classificazione tipologica delle utenze 3.3. Potenze convenzionali 3.4. Definizione della potenza di progetto. 4. Sistemi di alimentazione 4.1. Il sistema di alimentazione normale 4.2. Il sistema di alimentazione privilegiata 4.3. Il sistema di alimentazione sicura 5. Architettura distributiva 5.1. Schemi di alimentazione 5.2. Cabine elettriche 5.3. Distribuzione elettrica in bassa tensione 6. Progetto illuminotecnico 6.1. Definizione delle grandezze fondamentali 6.2. Metodo di calcolo illuminotecnico 6.3. Scelta dei corpi illuminanti ai fini del confort visivo 7. Generazione fotovoltaica 7.1. Conversione fotovoltaica 7.2. Architettura del generatore FV 7.3. Stima di producibilità 7.4. Inverter FV per connessione alla Rete 7.6. Scelta delle protezioni 7.5. Analisi dell'investimento di un impianto FV

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato grafico prodotto in gruppo; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group graphic design project; Group essay;
... Durante il semestre l'allievo dovrà sviluppare un progetto elettrico, redigendo la documentazione con approccio professionale. Per l'ammissione all'esame orale l'allievo dovrà presentare il progetto redatto secondo le linee precisate dal docente. E' prevista una prova scritta ed un esame orale. La durata della prova scritta è di 3 ore. Durante lo svolgimento dell'esame non è consentito tenere e consultare quaderni, libri, fogli con esercizi, ma è consentito soltanto l'uso di una calcolatrice portatile e delle "Tabelle" distribuite a lezioni e presenti sul portale del corso nella cartella denominata "Tabelle". L'esame orale consiste nell'illustrazione del progetto e nella verifica della conoscenza dei concetti e delle procedure. Il voto finale viene assegnato in considerazione dei risultati conseguiti nella prova scritta, nella prova orale e nel progetto, valutando l’acquisizione dei risultati di apprendimento attesi.

Appunti dalle lezioni e documentazione disponibile sul portale della didattica. Testi di riferimento: V. Cataliotti: Impianti elettrici vol. I, II, III, ed. Flaccovio Progettazione degli impianti elettrici (ed.CEI) F. Spertino, R. Carelli: Impianti fotovoltaici di piccola taglia (CLUT)

Ability in system evaluation and design for hybrid and electric propulsion structures. Electrical sensitivity in the world of hybrid and electric traction together with the analysis of the principal issues on performance and safety inside the different aspects of the traction. Increased capability in the design sensitivity that the (H)EV world needs.

The course aims to analyse in detail the principal issues in the adoption of switching power converters and electric drives in autonomous (non-cable supplied) Hybrid and Electric Vehicles (EV) within private and public transportation. On one side the autonomy increase for EV and, on the other, the electric energy increase demand in the Internal Combustion Engine (ICE) vehicles are the starting points for all the different solutions in electric hybridisation. Main electric components in the electric traction line will be presented as well as the electric energy sources and storage systems like batteries, fuel-cells, super-capacitors and flywheels. Safety and standardization issues will be sided all along the course to highlight the importance that this aspect has in the automotive world. The specification writing of the different electric components of the traction line will be described in detail and a starting design of the different components will be the final part of the course.

EV and HEV classification. Analysis of the principal configurations and interaction of the electric drive line with the ICE drive line. (6h) Vehicle performance requirements and level of hybridization. Effect on the specifications of the various elements of the electric drive line. (6h) Components of the electric drive line. Change of the view point when entering in the design for traction. (10h) On board sources of electric energy: batteries, fuel-cells, super-capacitors and flywheels. Interaction with vehicle specifications. (10h) Drive structures for the different on-board applications, which electric machines and starting specifications. (12h) Specifications writings and reading of the different elements in an electric drive line. Sizing and choices of the electric machine, power converter and storage system. The effects of the ancillary services. (20h) Starting point for a coerent design of main element of an electric traction line (10h) Final considerations on the actual software adopted for the different phases of the design. State of the art and future trends in power electronic and electric machines (6h)

Modalita di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Compulsory oral exam; Group essay;
... 1) Examination The examination is based on the defence of the design report for an electric drive line for EV or HEV. The report is based on a theme that is given to the student in the first week of course. Once the students received the theme they have to complete the report with the following parts: First part: Traction sizing Second part: Specification of the electric drive line elements Third part: Detailed design of the principal elements of (one of) the proposed drive line(s). 2) Final evaluation calculation: Each part received an evaluation on base 30. Each part will be evaluated over: completeness, calculation precision, coherence in the choices and clearness in the exposition. These four aspects are evaluated with a vote from 0 to 10 (10 be the best) and weighted in the same way to the final vote for each part. To the resulting number, up to 4 points can be added for personal contribution outside the required fields. The result is normalized to 30 and saturated to 27. On the final discussion, when the report is presented, a variation (positive and negative) of 3 point can be obtained based on the justifications given. The laude will be given only to who had saturated in the evaluation of the first 2 parts. The whole of the report should not exceed 60 pages, excluding the components datasheets. 3) Examination topics The course is organised so to let the student express its design and evaluation capabilities in an extreme autonomous way. The fact that the course leads to a specific design exercise implies that all the other engineering aspects, not directly treated inside the course, are essential for a good evaluation. In the following the details of the different points that are considered essential for a complete design of the electric drive line are given. First Part Reference vehicle and utilization use cases Hybridization level and justification of the choices Vehicle performance requirements (data given and data chosen by the student) Estimation of the efficiencies of the different subsystems in the electric traction line Evaluation of the traction resistance in all the conditions Continuous torque specification Energy evaluation on a specific standardized cycle Energy evaluation on a specific non-standardized cycle suited to the application Power specification of the traction line Second Part Specifications of the principal elements of the electric traction line: gearbox, electric motor, power converter, auxiliaries converter, storage system. For each of them the following must be specified: Expected dimensions, required performance, expected efficiency, reference standards, cooling conditions, testing conditions, expected cost. Third Part First design of the main elements of the electric traction line. The level of detail required will be specified along the course. The design implies to define a solution for each active and reactive elements inside the traction line. All capacitive components have to be chosen, only one inductive component have to be detailed designed. Conclusion and self-evaluation of the proposed solution.

Books required or suggested: readings, handout, other didactic material. The teaching material is available at the web-site of course and will be available in English and Italian. Books that can be adopted as integrative material: Graham Atkin and Jonathan Storey, "Electric Vehicles (Prospects to battery-, fuel cell- and hybrid-powered vehicles)", Financial Times Automotive, Maple House, 149 Tottenham Court Road, London W1P 9LL, UK, 1998: A. Szumanowski, "Fundamentals of hybrid vehicle drives", ITE Warsaw-Radom 2000 (www.itee.radom.pl mailto: [email protected]) D.A.J. Rand, R. Woods, R.M. Dell, "Batteries for Electric Vehicles", Research Studies Press Ltd., 1998: J. Larminie, A. Dicks, "Fuel Cell System Explained ", J. Wiley & Sons, 2000 (overview) M. Ehsani, Y. Gao, S. E. Gay and A. Emadi, "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles: Fundamentals, Theory, and Design" (Power Electronics and Applications Series) CRC-PRESS G. Pede, G. Brusaglino e Vitali, "Sistemi di Propulsione Elettrica ed Ibrida: dalla Sorgente a Bordo all'Attuazione Meccanica" ENEA 2009

I contenuti trattati intendono fornire conoscenze e capacità di comprensione relative ai fenomeni fisici, ai modelli e alle tecniche numeriche di soluzione delle reti elettriche di trasmissione in condizioni normali e di guasto, al funzionamento dinamico e al controllo dei sistemi elettrici. Dal punto di vista applicativo, le capacità da acquisire rientrano in quelle indicate per l'area di apprendimento sistemi elettroenergetici. Gli obiettivi minimi riguardano: - capacità di risolvere circuiti esemplificativi delle problematiche delle reti elettriche di trasmissione in condizioni normali e di guasto; - capacità di scrivere correttamente le equazioni di calcolo dei flussi di potenza nelle reti di trasmissione; - conoscenza delle tecniche numeriche impiegate per la soluzione delle equazioni delle reti di trasmissione; - conoscenza dei principi di funzionamento e dell'architettura dei sistemi di controllo della frequenza e della tensione; - comprensione fisica dei principali fenomeni dei sistemi elettrici.

L'insegnamento si colloca nell'area di apprendimento dei sistemi elettroenergetici e ha lo scopo di fornire le nozioni fondamentali per la comprensione e l'analisi dei fenomeni statici e dinamici nei sistemi elettrici e in particolare nei sistemi di trasmissione dell'energia elettrica in alta tensione. Vengono trattati la struttura e il modello dei sistemi di trasmissione, le tecniche di analisi delle reti in condizioni stazionarie, i sistemi di controllo della frequenza e della tensione, il comportamento in condizioni di guasto. Gli argomenti sono sviluppati con un'impostazione applicativa orientata alle problematiche e alle caratteristiche del sistema elettrico italiano ed europeo.

1. Introduzione Generalità sui sistemi elettrici. Richiami di elettrotecnica. Doppi bipoli. Caduta di tensione industriale. Metodo dei valori relativi. Funzioni iperboliche. 2. Componenti del sistema elettrico Linee elettriche: aspetti costruttivi, equazioni, parametri, circuiti equivalenti. Problemi fondamentali della trasmissione: linea a vuoto, a carico caratteristico, con tensione imposta agli estremi, Limiti di trasmissione. Trasmissione in corrente continua. Trasformatori a due avvolgimenti: aspetti costruttivi, impieghi, circuiti equivalenti. Trasformatori a tre avvolgimenti. Generatori sincroni: aspetti costruttivi, comportamento a regime, modelli dinamici, sistemi di eccitazione, curve di capability. Carichi: influenza della tensione, carichi controllati, modelli aggregati. 3. Funzionamento ordinario Modello della rete: grafo, nodi, rami. Strutture di rete. Matrice delle ammettenze e delle impedenze nodali. Equazioni di rete tensioni-potenze (equazioni di load flow). Metodi di soluzione delle equazioni di rete. Modelli e metodi approssimati. Disaccoppiamento attivo / reattivo. Sistema elettrico elementare a 2 nodi: stabilità d’angolo e della tensione. Trasformatori di regolazione. Controllo attivo e reattivo. Vincoli di esercizio. Stati del sistema elettrico. Sicurezza N-1. 4. Regolazione della frequenza e della potenza attiva Regolazione di velocità dei generatori. Regolazione primaria della frequenza. Regolazione secondaria della frequenza. Regolazione della frequenza e delle potenze di aree interconnesse. Controllo della frequenza in emergenza. 5. Analisi dei guasti Introduzione ai guasti. Caratteristiche della corrente di corto circuito. Sorgenti di corto circuito. Comportamento delle macchine rotanti. Modelli dei componenti e della rete. Guasti trifase. Componenti simmetriche. Modelli dei componenti. Guasti dissimmetrici. Guasto a terra e stato del neutro.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Elaborato scritto individuale;
Exam: Written test; Individual essay;
... L'esame è costituito da una prova scritta di teoria con 4-6 domande aperte (durata: 2 ore) sugli argomenti delle lezioni (punteggio massimo 27/30) e da un elaborato (script Matlab, modello Simulink) corredato da una presentazione di 12 slide su un argomento scelto in una lista di proposte relative alle esercitazioni (punteggio massimo 3/30). Durante la prova scritta non può essere consultato materiale didattico (appunti, libri, ecc). Il voto finale è la somma del punteggio della prova scritta e del punteggio dell'elaborato. La mancata consegna dell'elaborato comporta una penalizzazione di 3 punti sul voto finale. Le modalità di esame vengono definite dettagliatamente all'inizio del corso nel materiale didattico pubblicato sul portale della didattica e sono valide per i 4 appelli successivi alla conclusione del corso (giugno, luglio, settembre, gennaio).

Sono disponibili le slide preparate per lo svolgimento del corso a distanza (circa 900). Non esiste alcun testo che tratti integralmente gli argomenti del corso. Libri di riferimento: F.Iliceto, "Impianti elettrici", vol. 1, Patron, Bologna, ISBN 978-8855517256. J.J.Grainger, W.D.Stevenson, Power system analysis, McGraw Hill, ISBN 978-0070612938. P.Kundur, Power system stability and control, Tata McGraw Hill, ISBN 978-0070635159. Altri libri: R.Marconato, Electric power systems. Vol.1 - Background and basic components. CEI - Comitato Elettrotecnico Italiano, Milano, ISBN 88-432-0014-3. R.Marconato, Electric power systems. Vol. 2 - Steady-state behaviour controls, short circuits and protection systems. CEI - Comitato Elettrotecnico Italiano, Milano, ISBN 88-432-0025-9. R.Marconato, Electric power systems. Vol. 3 - Dynamic behaviour, stability and emergency controls. CEI - Comitato Elettrotecnico Italiano, Milano, ISBN 978-8843200610.

The student who passes the exam will gain skills for interacting with the operators of the electrical system by using the correct terminology and by showing appropriate knowledge to discuss the basic issues concerning smart grid and distributed energy resources. The student will also become aware of the technological evolution in progress and of the impact of this evolution on the present and future smart electricity systems, including communication technologies in support to these innovative systems. The minimum objectives to be reached as learning outcomes include the ability to use the correct terminology in addressing the problems concerning smart grid applications, and the ability to interpret and tackle the problems concerning the introduction of distributed energy resources in the smart grids.

The course belongs to the “e-mobility and smart grids� track and presents a wide view on the emergent aspects in the evolution of the electricity systems, under the on-going transition towards growing utilisation of electricity in many applications. The concept of “smartness� in electricity and energy systems is related to the new ways in which a system can operate and also interoperate with other systems (e.g., transportation) for assuring a socially desirable performance in terms of sustainability (energy efficiency and environmental impacts reduction), economic efficiency and affordability, electricity security and reliability. This requires a systematic view on the structure and operation of modern and future electrical networks (smart grids), with a special focus on Low-Voltage and Medium-Voltage distribution and utilization systems. A conceptual model of the smart grids is presented, in which various aspects (technologies, energy, data, markets, etc.) are analysed, along with their interactions, in a comprehensive way. Some of the most important “smart functions� in the emerging operation of the electricity distribution systems are illustrated, highlighting the concept of interoperability of various systems and actors over the smart grid, e.g., electric vehicles, prosumers, network operators, distributed energy resources (DER), etc. The impact of the DER introduction in the electrical networks is studied by addressing theoretical aspects and application examples concerning distributed generation, distributed storage and demand response. Some applications are solved through numerical calculations. Part of the course provides a general overview of the main communication technologies that are needed to support smart grids. This part of the course starts with an introduction to communication networks: elements, architectures and functions. Then, the communication needs of various segments of an electrical network are presented and possible communication technologies that can satisfy the requirements are discussed with their pros and cons. The protocol IEC 61850 for substation automation is then described and discussed. All the aspects included in the course are integrated in order to enhance the possibility of understanding the innovation in progress in the power and energy area, and the relations of the electrical sector with other energy and communication systems. This kind of knowledge opens wide possibilities of employment in energy companies, energy service providers, industries, public administrations, universities and research centres.

PART 1 (30 hours): Distributed energy resources (DER) Combined production (cogeneration and multi-generation). Black box analysis. The Energy Hub matrix model. Impact of the combined production on smart grids. The role of the environment. Local and global emissions. Emission factor model. Emission balances. Indices of emission reduction. Probabilistic models of generations and loads. Adequacy of the generation to cover the demand. Adequacy indicators. Distributed energy resources (DER). Limits to the DER diffusion. Island operation of a portion of the distribution network. Microgrids. Storage applications in the smart grid area. Power vs. energy. Drivers to storage development. Parameters of the storage systems. Objectives of the use of storage in the electrical systems. Storage in the Energy Hub model. Standards on storage. Connection schemes. Power-to-X. Storage systems for primary and secondary frequency regulation. Evolution of the regulatory framework and of the standards for smart grids. Grid codes. Active and passive users. Operating modes for the grid-connected local generation. Notes on the Standards CEI 0-16 and CEI 0-21. General scheme of the system protection with possibility of islanding operation. Scenario studies with local generation in smart distribution systems. Capability limits of the generators with transformer-based or converter-based interfaces. Capability curves with storage. Voltage control with distributed generation. Objective function and constraints for voltage control. Fault ride-through capability curves and limits for low voltage and medium voltage systems. Notes on the protection system with voltage and frequency relays. Electrical load representations. Load duration curves. Macro-categories of users. Active and reactive power profiles. Demand Side Management principles. Evolution of the tariff structures towards real-time. Demand response (DR). Incentive-based and price-based DR programmes. Costs and benefits for DR. DR baseline. DR performance metrics. Notes on demand flexibility and on the new generation of smart meters. Grid integration of electric vehicles: Vehicle to Grid and Grid to Vehicle. Charging stations and parking lots. Notes on the traffic models. Framework for studying the grid integration of electric vehicles. Operation and planning aspects. Optimization of the smart grid operation with storage systems and EVs. PART 2 (20 hours): Introduction to general concepts of communication networks. Types of channels and resource sharing. Layered architectures and protocols. Internet protocol stack. Communication technologies in support to smart grids. Communication network in the substation. IEC 61850: naming and formats. Ethernet. Goose. TCP/IP protocol stack for client-server communications. PART 3 (30 hours): This part first introduces the emerging scenarios of smart electricity architectures both in the transmission and distribution grids. The discussion will be more focused on the new paradigms and accompanied key technologies into the power systems that enable their smartness, such as the advanced metering infrastructures, smart functions, big data applications, block chain technologies, and the prosumer communities. In addition to those key enablers, the smart grid architecture model (SGAM) will be discussed for a basic understanding of how to design a smart grid with involved aspects and technologies and the interoperability with other systems. A self-sustainable prosumer community will be used as a possible scenario to introduce the regulation design and possible controls over a large number of autonomous prosumers by nudging their behaviors with interdisciplinary perspectives.

Modalita di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
... The exam consists of an oral colloquium. The rationale for this type of exam is that verifying the awareness reached by the students on system-related concepts requires elaborating wider (oral) responses. No course material nor communications with persons outside the Commission are allowed during the exam. The oral colloquium includes at least one question for each part of the course, with the possible inclusion of numerical exercises. The final score refers to the knowledge and ability level reached on the different topics of the course programme. The exam is passed if all the minimum objectives indicated in the section "Expected learning outcomes" are reached. Failure in reaching one or more of the minimum objectives determines the non-passed exam evaluation. If the responses given by the student are particularly effective to reach 30/30, the Commission may invite the student to respond to a further challenging question, to get the “cum laude� score in case of effective response to that question as well (otherwise the score will remain 30/30). The student may withdraw from the exam before starting the second question.

The material (slides and handouts) used during the lectures and course activities will be available on the web portal. There is no commercial book covering the contents of this course. Reference books: - Giorgio Graditi and Marialaura Di Somma (editors), ‘Distributed Energy Resources in Local Integrated Energy Systems’, Elsevier, 2021. - Nick Jenkins, Ron Allan, Peter Crossley, Daniel Kirschen, Goran Strbac, 'Embedded generation', IET (ISBN 978-0-85296-774-4), 2000. - D.N. Gaonkar (ed.), ‘Distributed Generation’, Intech (ISBN 978-953-307-046-9), 2010. Freely available at the web address http://sciyo.com/books/show/title/distributed-generation.

By the end of the course, students are expected to: - understand the multi-layer aspects of the energy transition and the relevance and implications that alternative strategical policy choices can have on them, acquiring knowledge about the scientific methodologies to quantitatively evaluate the impacts on the various involved dimensions of different long-term trajectories; - understand the role of electricity in the transition process with reference to all the aspects involved: generation from RES, transmission/distribution of electricity, electrification of final uses; - acquire knowledge about the evolution of the electricity market structure in the framework of the energy transition; - being able to evaluate the role that the interplay among different commodities (electricity, hydrogen, gas) can play in the framework of energy transition, and to quantitatively compare the impacts of different energy mixes for the fulfilment of the energy services demands.

Prova

L0. Introduction to the course L1. Overview of the history of energy - key energy commodities across ages and centuries: the different energy transitions: - from biological energy to natural energy resources - the age of coal: the first industrial revolution - oil and electricity: the second industrial revolution - the age of natural gas - renewable energy: the current energy transition towards decarbonisation L2. Issues with the current energy paradigm - the “energy trilemma� - the environmental sustainability issues: ghg emissions, global warming and climate change - the economic affordability: energy access inequalities and energy poverty - the energy security: uneven distribution of fossil resources; geopolitical instabilities and energy dependency - fossil fuels as finite resources L3. The need for the current energy transition - the definition of “sustainability� - the evolution of the sustainability concept: from the “club of rome� to present - the international agreements and targets: the paris agreement, the eu green deal - the italian targets and plans - the role of carbon pricing mechanisms - the energy transition at the core of the european recovery plan from covid-19 pandemic - the renewable energy potential L4. The energy transition as multi-layer problem - the energy dimension - the environmental dimension - the economic dimension - the social dimension - the geopolitical dimensions - the multi-dimensional impacts of energy transition trajectories L5. Methodologies and tools for assessing the energy transition - modelling the energy systems: top-down and bottom-up approaches; simulation and optimisation approaches - the times and osemosys model generators - mid-/long-term scenarios and international outlooks - tracking the energy transition: kpis for quantifying the multi-dimensional impacts of alternative trajectories - web-platforms for energy planning L6. Electricity as key commodity for the energy transition - the “electricity triangle�: production from res, transmission and distribution of energy through the electricity vector, electrification of final uses - different paradigms for electricity generation: from super-grids to smart-grids - the role of storage systems - electrification of final energy uses - the energy communities - benefits and barrier of the electrification process - the “electrify italy� case study L7. Introduction to the economics of power systems - electricity and economic - market value of electricity - capital intensity - cost of blackout L8. Electricity as a commodity - peculiarity of electricity as commodity - physical and technical features of electricity L9. Economic value of goods and market equilibrium - definition of economics and economy of scale - historical excursus - average and marginal quantities - the concept of “scarcity� - the concept of “utility� and the demand curve - the concept of “cost� and the supply curve - “price� - revenues and profit - firm objectives and outcomes - market equilibrium L10. Reference markets and market power - reference markets - liberalized vs regulated monopoly markets - market power L11. Bidding and market clearing - supply/demand curves and offers/bids - uniform pricing - pay as bid - market clearing L12. Classification of markets for electricity - competition in electricity markets - whole sale vs retail markets - reference structures: pool and bilateral - energy markets - environmental markets - ancillary service markets - capacity markets L13. Concepts in optimization theory - optimization problem: formulation and types - unconstrained optimization - equality constrained optimization - equality/inequality constrained optimization - kkt necessary and sufficient condition - lagrangian multiplier and shadow prices - example: generation dispatch - example: market clearing without network constraints L14. The commodity interplay - the interplay among electricity, hydrogen and gas for ensuring decarbonisation - the production of “green� hydrogen through electrolysis - the production of synthesis gas through methanation - perspectives for hydrogen penetration - power lines, gas pipelines and maritime routes: the evolution of energy infrastructures L15. References

Modalita di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
... The first exam immediately after the end of the course (“primo appello�), is a written test composed by two open-ended questions/exercises and 3 multiple choice questions; the duration is 2 hours. During the written examination no support material (books, notes, …) will be allowed. The following ones are oral examinations, with at least three questions on the topics of the course

The slides of the course will be available on the university portal. 1. S. Stoft - Power System Economics: Designing Markets for Electricity – John Wiley& Sons, I edizione, May 2002. ISBN: 0-471-15040-1 2. D.Kirschen, G.Strbac – Fundamentals of Power System Economics – Wiley, 2004. G.Rothwell, T. Gomez – Electricity Economics – IEEE Press, Wiley Interscience, 2003. ISBN:0-470-84572-4 3. G.Rothwell, T. Gomez – Electricity Economics – IEEE Press, Wiley Interscience, 2003. ISBN:0-471-23437-0 4. P. A. Samuelson, W. D. Nordhaus - Microeconomics –McGraw-Hill/Irwin, XVII edizione, May 2001. 5. Hisham Khatib – IEEE Power Series: Economic Evaluation of Projects in the Electricity Surpply Industry – The Institution of Electrical Engineers, London, Luglio 2003. ISBN:0-86341-304-8 6. S. Tagliapietra – Global Energy Fundamentals. Economics, Politics, and Technology. 2020. Cambridge University Press 7. H. Farzaneh – Energy Systems Modeling. Principles and Applications. 2019. Springer Singapore 8. H. Qudrat-Ullah, M. Asif. – Dynamics of Energy, Environment and Economy. A Sustainability Perspective. Lecture notes in energy, vol. 77. 2020. Springer 9. G. Giannakidis, M. Labriet, B. Ó Gallachóir, G. Tosato, G. – Informing Energy and Climate Policies Using Energy Systems Models. Lecture notes in energy, vol. 30. 2015. Springer