MACCHINE E IMPIANTI ELETTRICI A - L

ING-IND/32 - 9 CFU - 2° semestre

Docente titolare dell'insegnamento

MARIO CACCIATO


Obiettivi formativi

Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base sulle macchine elettriche e gli impianti elettrici. Inoltre, ne sarà illustrato l’uso appropriato in applicazioni reali quali, ad esempio, la generazione distribuita di energia elettrica nelle reti intelligenti e l’impiego dell’energia elettrica in ambito industriale, domotico e di trazione, con particolare attenzione al risparmio energetico. Lo studio delle macchine elettriche fornirà gli strumenti concettuali per comprendere le principali caratteristiche costruttive ed il loro comportamento a regime attraverso modelli analitici e circuitali, valutandone le prestazioni. Lo studio degli impianti elettrici consentirà allo studente di conoscere i criteri di progettazione di massima di un impianto elettrico di bassa tensione e delle protezioni idonee a preservarne il funzionamento e la sicurezza delle persone.

In definitiva, le finalità del corso sono quelle di fornire allo studente dei concetti di base in ambito elettrico, che possano facilitare la sua comunicazione professionale con ingegneri di alta specializzazione.


Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Lezioni frontali su argomenti di teoria svolte tramite videoproiettore. Esercitazioni svolte in aula tramite videproiettore con l'utilizzo di software di simulazione numerica. Svolgimento collettivo di esercizi numerici.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.


Prerequisiti richiesti

Sono richieste le conoscenze propedeutiche dei corsi di Fisica II e di Elettrotecnica.



Frequenza lezioni

La frequenza è obbligatoria. Si ricorda che per ottenere l'idoneità lo studente è tenuto a frequentare almeno il 70% delle ore del corso.



Contenuti del corso

1. MACCHINE ELETTRICHE

1.1. INTRODUZIONE ALLE MACCHINE ELETTRICHE. Definizione di Macchina Elettrica. Classificazione delle macchine elettriche: Statiche, Rotanti. Classificazione delle macchine rotanti. Concetto di reversibilità della conversione di energia nelle macchine elettriche. Definizione di rendimento effettivo e rendimento convenzionale. Ruolo delle macchine elettriche per uno sviluppo sostenibile. Applicazioni.

1.2 MATERIALI UTILIZZATI PER LA COSTRUZIONE DELLE MACCHINE ELETTRICHE. Campi magnetici nella materia. Permeabilità magnetica. La magnetizzazione della materia. Materiali Conduttori utilizzati nella costruzione delle macchine elettriche. Dipendenza della resistività del materiale dalla temperatura. Alcuni esempi di conduttori utilizzati nella realizzazione di avvolgimenti di macchine elettriche. Effetto Pelle. Materiali Isolanti. Sollecitazione Termica degli Isolanti. Esempi di Isolanti. Perdite negli Isolamenti. Materiali Magnetici: Diamagnetismo, Paramagnetismo, Ferromagnetismo. Curva di Magnetizzazione. Ciclo di Isteresi. Materiali Magnetici dolci. Materiali Magnetici duri. Perdite per Isteresi. Perdite per Correnti Parassite nei materiali magnetici. Processo di laminazione dei materiali ferromagnetici ed orientamento dei grani.

1.3 TRASFORMATORE.

Trasformatore: Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento. Impieghi tipici per la conversione di energia in reti sinusoidali monofase. Relazioni tra le tensioni, correnti e potenze di ingresso e uscita. Adattamento di impedenza. Trasformatore trifase.

Trasformatore reale. Legame tra flussi di fase e flusso omopolare. Elementi Costruttivi del Trasformatore: Nuclei Magnetici (a colonna, a mantello – con giunti intercalati o giunti affacciati). Avvolgimenti del trasformatore. La scelta della sezione dell’avvolgimento, della loro distribuzione e la disposizione su colonne a gradini. Tecniche di isolamento degli avvolgimenti. Sistemi di raffreddamento.

Rappresentazione analitica/circuitale dei flussi magnetizzanti e dispersi in un trasformatore. Coefficienti di auto e mutua induzione. Coefficiente di accoppiamento. Rappresentazione circuitale delle perdite sugli avvolgimenti del primario e del secondario. Circuito Equivalente Ridotto (circuito a T). Modello circuitale del Trasformatore reale Lineare. Funzionamento in regime sinusoidale. Funzionamento a vuoto. Rapporto di Trasformazione. Diagramma Vettoriale a carico. Circuiti Equivalenti Semplificati. Saturazione Magnetica – correnti magnetizzanti. Dati di Targa del Trasformatore. Valori Nominali. Tipo di Servizio. Identificazione dei parametri del trasformatore mediante le prove a vuoto ed in corto circuito. Bilancio Energetico. Rendimento convenzionale del trasformatore. Perdite Addizionali. Indice di Efficienza di Picco. Trasformatore nei sistemi Trifase. Tipologie di collegamento. Indice Orario. Caduta di Tensione Industriale. Funzionamento in Parallelo di Trasformatori. Autotrasformatore. Trasformatori di Corrente (TA) e di Tensione (TV). Applicazioni.

1.4 MACCHINE ROTANTI

Macchine Elettriche Rotanti in AC: Classificazione. Macchine Isotrope ed Anisotrope. Parametri caratteristici della progettazione degli avvolgimenti. Disposizione Avvolgimenti su macchine polifasi. Distribuzione delle linee di campo all’interno di una macchina rotante. L’andamento della forza magnetomotrice prodotta al traferro nel caso di avvolgimenti concentrati e distribuiti. Relazione tra periodo elettrico e periodo meccanico. Rappresentazione analitica e grafica di un campo magnetico rotante. Rappresentazione analitica e grafica di un campo magnetico pulsante.

Macchine Asincrona: Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento. Macchina a gabbia di scoiattolo ed a rotore avvolto. Relazioni fondamentali. Scorrimento. Modello circuitale di un motore ad induzione. Caratteristica meccanica velocità-coppia. Coppia di avviamento e coppia nominale. Motore asincrono monofase. Caratteristica meccanica. Tecniche di Avviamento di un motore asincrono: avviamento stella-triangolo, avviamento con impedenze statoriche e avviamento con autotrasformatore. Identificazione dei parametri caratteristici della macchina: prova a vuoto, prova a rotore bloccato. Inversione di velocità. Applicazioni.

Macchina sincrona: Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento. Macchina a rotore liscio e a poli salienti. Modello. Diagramma di Behn-Eshemburg. Coppia sincrona. Caratteristiche di funzionamento. Caratteristica meccanica. Angolo di carico. Condensatore rotante. Motore sincrono. Problemi di avviamento. Parallelo degli alternatori con la rete. Applicazioni.

Macchina a corrente continua: Principio di funzionamento. Caratteristiche meccaniche dei motori eccitati in serie ed in parallelo. Applicazioni.

Esempi di Macchine Elettriche utilizzate nella generazione distribuita (Eolico) e nella trazione (veicoli elettrici).

 

2. PRINCIPI DI CONVERSIONE STATICA DELL'ENERGIA ELETTRICA

2.1. Considerazioni generali sulla conversione statica e sui componenti elettronici di potenza. Elementi di elettronica di potenza: Diodi, Tiristori, Transistori. Raddrizzatori (c.a.-c.c.). Inverter (c.c.-c.a.) Tecniche di modulazione dei convertitori elettronici di potenza. Applicazioni.

 

3. IMPIANTI ELETTRICI

3.1 ASPETTI GENERALI

Configurazione dei sistemi elettrici e cenni sulle scelte tecniche fondamentali. Produzione, Trasmissione, Distribuzione ed Utilizzazione dell’energia elettrica. Classificazione dei sistemi elettrici e tensioni nominali.

Il problema termico negli impianti elettrici. Curve di riscaldamento e di raffreddamento. Invecchiamento degli isolanti e classi di isolamento. Diagramma di carico. Tipi di servizio.

Determinazione dei carichi convenzionali Potenza convenzionale e corrente di impiego. Fattori di utilizzazione e contemporaneità. Corrente di impiego termicamente equivalente.

3.2 LINEE ELETTRICHE

Caratteristiche costruttive delle condutture elettriche. Linee aeree: tipi di conduttori, isolatori e sostegni. Condotti a sbarre. Linee in cavo: classificazione e struttura dei cavi elettrici, caratteristiche funzionali, tipi costruttivi, sigle di identificazione, modalità di posa. Comportamento termico dei cavi. Portata di un cavo e fattori da cui dipende. Criteri di scelta dei cavi.

Calcolo elettrico delle linee R-L. Calcoli di progetto e di verifica. Criteri di progettazione. Criterio della perdita di potenza ammissibile. Criterio della temperatura ammissibile. Criterio della caduta di tensione ammissibile. Cenni sul criterio della massima convenienza economica. Sezioni minime delle condutture elettriche. Calcolo elettrico di linee con carichi distribuiti e diramati.

3.3 SOVRACORRENTI, E SISTEMI DI PROTEZIONE

Sovracorrenti. Sollecitazione termica per sovraccarico di un componente elettrico. Corrente di corto circuito. Fattore di cresta. Sollecitazione termica per corto circuito. Sollecitazioni elettrodinamiche.

Apparecchi di manovra. Classificazione. Arco elettrico e sue modalità di estinzione. Interruttori. Sezionatori. Contattori.

Protezioni dalle sovracorrenti. Classificazione dei relè. Relè termico ed elettromagnetico di massima corrente. Protezione magnetotermica di massima corrente. Interruttori automatici per bassa tensione. Fusibili. Limitazione della corrente di corto-circuito. Protezione delle condutture contro il sovraccarico ed il corto circuito. Requisiti richiesti dalle Norme. Determinazione della corrente di corto circuito. Protezione in serie (backup). Protezione unica e distinta per sovraccarico e cortocircuito. Protezione dei conduttori di fase e di neutro. Selettività delle protezioni dalle sovracorrenti.

Rifasamento degli impianti elettrici. Aspetti teorici. Cause ed effetti di un basso fattore di potenza. Situazione tariffaria. Calcolo della potenza reattiva richiesta e della capacità delle batterie di rifasamento. Modalità di rifasamento. Caratteristiche funzionali dei condensatori. Scelta delle apparecchiature di protezione e manovra.

3.4 SICUREZZA ELETTRICA

Corrente elettrica e corpo umano. Cenni di elettrofisiologia. Effetti fisiopatologici della corrente elettrica sul corpo umano. Limiti di pericolosità della corrente elettrica sul corpo umano. Resistenza elettrica del corpo umano. Pericolosità del percorso.

Il terreno conduttore elettrico/ Impianto di terra. Resistenza di terra. I potenziali di terra. Dispersori in parallelo. Resistenza verso terra di una persona. Tensione totale e tensione di contatto.

Generalità sulla protezione contro i contatti indiretti. Tipi di isolamento. Massa e massa estranea. Distinzione tra contatti diretti e indiretti. Misure di protezione contro i contatti indiretti e classificazione degli apparecchi elettrici. Curva di sicurezza. Pericolosità della tensione al variare della frequenza. Classificazione dei sistemi elettrici in relazione alla tensione ed alla massa a terra.

Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi TT. Requisiti della protezione. Protezione mediante dispositivi a massima corrente. Interruttore differenziale. Protezione mediante interruttore differenziale. Impianto di terra comune a più derivazioni. Selettività delle protezioni. Relè di tensione.



Testi di riferimento

1. S. Crepaz “Macchine Elettriche” – Ed. CLUP

2. E. Fitzgerald, C. Kingsley, A. Kusko: Macchine elettriche. Franco Angeli

3. G. Conte “Impianti elettrici” vol. I e II - HOEPLI

4. V. Carrescia, Fondamenti di Sicurezza Elettrica - Edizioni TNE


Altro materiale didattico

Il materiale didattico prodotto dal docente è disponibile sul Portale Studium, all’indirizzo web associato al modulo didattico Macchine e Impianti Elettrici (A-L):



Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
1Caratteristiche magnetiche dei materiali 
2Perdite nei materiali ferromagnetici 
3Principio di funzionamento del trasformatore 
4Circuito equivalente del trasformatore  
5Dati di targa dei trasformatori industriali 
6Caduta di tensione industriale 
7Campo magnetico rotante 
8Principio di funzionamento della macchina a induzione 
9Espressione analitica della coppia e caratteristica meccanica della macchina a induzione 
10Espressione analitica della coppia e caratteristica pseudo-meccanica della macchina sincrona 
11Principio di funzionamento della macchina sincrona 
12Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento della macchina a c.c. 
13Reazione d'indotto 
14Principio di funzionamento dell'inverter 
15Pericolosit√† della corrente elettrica  
16Protezione dai contatti diretti 
17Impianto di terra 
18Sistemi di distribuzione TT, TN, IT
19Protezione dai contatti indiretti
20Interruttori automatici e fusibili 
21Protezione delle linee in cavo
22Classi di protezione degli apparecchi 


Verifica dell'apprendimento


MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Colloquio orale. Nel caso il candidato abbia superato la prova in itinere, il colloquio verterà sulla parte rimanente del programma. Lo svolgimento della prova in itinere dipenderà dalle condizioni.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.


ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI

1. Principio di funzionamento delle macchine elettriche

2. Rendimento convenzionale del trasformatore

3. Perdite nelle macchine elettriche: principi fisici, relazioni analitiche e come tenerne conto nei modelli delle macchine elettriche

4. Circuiti equivalenti delle macchine elettriche

5. Caratteristica meccanica delle macchine rotanti

6. Impianto di terra

7. Protezione dai contatti diretti e indiretti

8. Interruttori automatici, fusibili e caratteristiche d'intervento




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