ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-lug-2023
2022/2023
Il Generatore Lineare a Pistoni Liberi (FPLG) è una tecnologia innovativa per la conversione energetica, i suoi componenti principali sono: camere di combustione, molle meccaniche o a gas e macchine elettriche lineari. Il FPLG sfrutta il moto alternativo di un pistone per generare energia elettrica. Questo sistema compatto e versatile offre un'elevata efficienza e densità di potenza rendendolo adatto a varie applicazioni, in particolare per i veicoli elettrici ibridi (HEV). La modellazione di un FPLG richiede un ambiente di simulazione in grado di interconnettere tutti i diversi componenti del sistema per studiarne l'interazione. In letteratura esistono modelli di FPLG in cui la forza elettromagnetica del generatore è considerata proporzionale alla velocità del pistone. Questa modellazione è corretta per un carico trifase in corrente alternata puramente resistivo, ma non corrisponde a ciò che accade quando alla macchina elettrica sono collegati carichi più complessi. Lo scopo di questa tesi è creare un modello dettagliato del Generatore Lineare a Pistoni Liberi e implementarlo nell'ambiente Simulink, dove gli aspetti meccanici, termodinamici ed elettrici del modello sono simulati insieme al fine di studiare gli effetti di diversi carichi elettrici sul comportamento del sistema. L'obiettivo è quello di ottenere come output del sistema una tensione continua stabile per poterlo collegare alle batterie di un HEV. Infine, viene sviluppato in Simulink un modello che rappresenta una configurazione a pistoni contrapposti al fine di studiare gli effetti della connessione delle due macchine elettriche. Viene eseguita inoltre un'analisi di stabilità del sistema durante un funzionamento sbilanciato nel caso di macchine elettriche collegate in serie, in parallelo e con carichi separati.
The Free Piston Linear Generator (FPLG) is an innovative technology for energy conversion, its main components are: combustion chambers, mechanical or gas springs, and linear electric machines. The FPLG exploits the reciprocating motion of a piston to generate electrical energy. This compact and versatile system offers high efficiency and power density, making it suitable for various applications, in particular for Hybrid Electric Vehicle (HEV). The modeling of a FPLG requires a simulation environment able to interconnect all the different components of the system in order to study their interaction. There are FPLG models in literature in which the electromagnetic force of the generator is considered proportional to the speed of the mover. This modeling is correct for an AC three-phase purely resistive load, however it does not correspond to what happens when more complicated loads are connected to the electric machine. The aim of this thesis is to create a detailed model of the Free Piston Linear Generator and to implement it into the Simulink environment, where the mechanical, thermodynamic and electrical aspects of the model are simulated together in order to study the effects of different electric loads on the system behaviour. The target is to obtain as an output of the system a stable DC voltage in order to connect it to the DC batteries of a HEV. Finally, a model representing an opposed-piston configuration is developed into Simulink in order to study the effects of the connection of the two electric machines. Moreover a stability analysis of the system is performed during an unbalanced operation in the case of linear electric machines connected in series, parallel and with separated loads.