Embedded Control Systems for Performances Improvement and Energy Efficiency of Electrical Drives and Power Converters

The global demand for electrical energy is growing continuously, at double the growth rate of primary energy consumption. Efficient energy use, sometimes simply called energy efficiency, is the goal to reduce the amount of energy required to provide products and services. A clear transition to more electric energy systems is mandatory as energy efficiency from primary fuel to the enduser and the integration of renewables are the future key challenges. Power electronics will play a key role in this paradigm shift to more renewable electrical energy and higher energy efficiency in multiple applications. In electrical energy generation a major shift to renewables as sources of future electrical energy will happen. In the field of Power Electronics four topics must be taken into account talking about energy efficiency: electrical motors, power converters, LED lighting and HVDC. In this thesis a detailed discussion on the modelling of the most known power converters has been made and some more accurate models have been proposed to better represent the behaviour of particular topologies or working modes. Passivity-Based controllers for power factor control have been proposed and argued; they resulted particularly suited in the motor control and in the LED lighting applicative fields. A global tracking passivity–based PI controller for bilinear systems has been proposed: an example application has been presented in the field of HVDC control. Furthermore, a sliding-mode robust to load variations controller for output voltage regulation in DC--DC converters has been presented. Finally inductor current observers for the boost topology has been illustrated with the aim of making superfluous the use of expensive sensors in this topology. Each proposed algorithm has been numerically tested and many of them has been experimentally verified on embedded platforms and their performances evaluated. Experimental tests have been done in the Laboratory of Advanced Robotics of DII at Università Politecnica delle Marche, Ancona, in the Laboratory of Energy Department at Supélec, Paris and in the Laboratoire de Signaux et Systémes at Supélec, Paris.

La domanda globale di energia elettrica è in continua crescita, al doppio del tasso di crescita del consumo di energia primaria. Un uso efficiente dell'energia, detto in altri termini "efficienza energetica", ha come obiettivo ridurre la quantità di energia richiesta per fornire i diversi prodotti e servizi. Progressivamente diventerà obbligatoria per l'utente finale una sempre più chiara transizione dal combustibile primario verso sistemi di energia elettrica e l'efficienza energetica così come l'integrazione delle energie rinnovabili diventeranno una delle principali sfide del futuro. L'elettronica di potenza svolgerà un ruolo fondamentale nel cambiamento di questo paradigma. Nella generazione di energia elettrica vi sarà un importante migrazione alle fonti rinnovabili come future fonti energietiche. Nel campo dell'elettronica di potenza, quattro ambiti applicativi devono necessariamente essere presi in considerazione quando si parla di efficienza energetica: motori elettrici, convertitori di potenza, illuminazione a LED e HVDC. In questa tesi è stata riportata una discussione dettagliata dei principali convertitori di potenza e sono state introdotte delle variazioni in alcuni modelli per rendere gli stessi più adatti alla rappresentazione del comportamento dei convertitori per particolari topologie o modalità di funzionamento. Sono stati proposti e argomentati alcuni controllori basati su passività per la correzione del fattore di potenza; essi sono risultati particolarmente adatti a scenari applicativi come quello del controllo motori o dell'illuminazione a LED. E' stato inoltre presentato un controllore PI basato su passività per il tracking globale valido per sistemi rappresentabili nella forma bilineare: particolarmente interessante è l'esempio applicativo riportato, relativo all'ambito del controllo HVDC. Inoltre è stato elaborato un controllore sliding mode robusto alle variazioni di carico per la regolazione della tensione di uscita nei regolatori DC--DC. Infine sono stati progettati degli osservatori di corrente per convertitori boost con l'obiettivo di rendere superfluo l'utilizzo dei costosi sensori di corrente in questa topologia. Ciascun algoritmo è stato testato numericamente e la maggior parte di essi è stata anche implementata su piattaforme embedded e provata in laboratorio con l'obiettivo di verificarne e valutarne le prestazioni. Le prove sperimentali sono state effettuate nel Laboratorio di Robotica Avanzata del DII presso l'Università Politecnica delle Marche, Ancona, nel Laboratory of Energy Department presso il Supélec, Paris e nel Laboratoire de Signaux et Systémes presso il Supélec, Paris.