SAPIENZA UNIVERSITÀ DI ROMA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ELETTROTECNICA

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1 SAPIENZA UNIVERSITÀ DI ROMA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ELETTROTECNICA PROGRAMMA DEL CORSO MACCHINE ELETTRICHE MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI Anno Accademico Docente: Ezio Santini Denominazione del corso: Macchine Elettriche Settore scientifico disciplinare: ING-IND/32 Crediti formativi: CFU 9 Recapiti del docente: sito web posta elettronica ezio.santini@ uniroma1.it telefono ufficio cellulare ricevimento il mercoledì dalle 14 alle 16 Obiettivi formativi specifici Conoscere i componenti, le modalità di impiego e i criteri di scelta degli azionamenti elettrici. Questi ultimi sono sistemi costituiti da una macchina elettrica, un convertitore statico che la alimenta e dai circuiti di controllo che ne determinano le modalità di funzionamento. Il corso si propone in primo luogo di fornire la conoscenza elementare delle principali macchine elettriche (trasformatori e macchine rotanti). I restanti componenti e modalità di funzionamento dei rispettivi azionamenti sono descritti in funzione delle esigenze applicative, sottolineando in particolare le modalità di regolazione della velocità, coppia e altre grandezze elettriche e meccaniche. Conoscenze e abilità attese Capacità di valutare le problematiche di impiego degli azionamenti elettrici. Capacità di utilizzare i criteri di comparazione e di scelta delle diverse tipologie, in relazione alle caratteristiche dell applicazione. Capacità di definire le specifiche delle apparecchiature costituenti l azionamento elettrico. Programma del corso Aspetti generali Caratteristiche dei carichi ed esigenze poste agli azionamenti; principi generali della conversione elettromeccanica e funzionamento reversibile delle macchine elettriche; limiti termici, elettrici e magnetici dei motori elettrici. Richiami alle leggi fondamentali dell elettromagnetismo

2 Le equazioni di Maxwell, la legge di Ampere, la legge di Faraday Lenz, campi magnetici nella materia, proprietà dei materiali, materiali utilizzati nei sistemi elettromagnetici e loro proprietà caratteristiche, legge di rifrazione delle linee di campo, energia immagazzinata nel campo magnetico e elettrico, pressione sulla superficie di separazione tra materiali a diversa permeabilità magnetica immersi in un campo magnetico. Analisi e confronto energetico tra le macchine elettrostatiche ed elettromagnetiche. Fenomeni termici nei sistemi elettromagnetici e problematiche associate. Il potenziale vettore ed il flusso di induzione magnetica. Il flusso concatenato. Le linee equipotenziali per il potenziale vettore. Trasformatori di potenza Il trasformatore ideale. Il trasformatore lineare: caratteristiche costruttive, il flusso di mutuo accoppiamento, il flusso di dispersione, funzionamento a vuoto, sotto carico e in corto circuito. Analisi funzionale ed energetica. Il trasformatore reale: il nucleo ferromagnetico, le perdite nel ferro, la caratteristica magnetica; funzionamento a vuoto, modello matematico e circuito equivalente, analisi funzionale ed energetica;funzionamento sotto carico: determinazione del modello matematico; operazioni di riporto delle grandezze al primario e/o al secondario; circuito equivalente; circuito equivalente semplificato; analisi funzionale ed energetica;diagramma vettoriale. Determinazione dei parametri del trasformatore mediante le prove a vuoto ed in corto circuito. Perdite e rendimento. Il trasformatore trifase: tipi di connessione e gruppi, il nucleo del trasformatore trifase; funzionamento a vuoto; funzionamento sotto carico. Funzionamento a vuoto di un trasformatore trifase a flussi vincolati in regime sinusoidale. Transitorio di inserzione di un trasformatore a vuoto. Transitorio di corto circuito di un trasformatore. Gli autotrasformatori monofase e trifase. I trasformatori di tensione e di corrente. I circuiti di sequenza per trasformatori trifase. Caratteristiche di impiego. Aspetti costruttivi. Generalità sulle macchine rotanti I principi di conversione elettromeccanica dell energia. La conversione elettromagnetica dell energia: sistemi elettromeccanici con un solo avvolgimento di eccitazione; coppia di riluttanza. Sistemi elettromeccanici con più avvolgimenti. Struttura delle macchine elettriche, gli avvolgimenti distribuiti. Il campo magnetico al traferro nelle macchine con rotore isotropo; le coppie polari; angoli elettrici e angoli meccanici. Il flusso concatenato e le tensioni indotte.il coefficiente di autoinduzione al traferro. Macchina sincrona elementare; macchina asincrona elementare; macchina a corrente continua elementare. Forze meccaniche nelle macchine elettriche rotanti. Legge di ampere microscopica. La coppia elettromagnetica nelle macchine elettriche rotanti. Azionamenti con macchine asincrone Aspetti costruttivi della macchina asincrona, sua importanza e applicazioni. Modello generale e circuito equivalente per il funzionamento a regime. Definizione dello scorrimento e principali condizioni di funzionamento come

3 motore. Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costante. La macchina a rotore avvolto e la macchina con rotore a gabbia. Rotore a gabbia semplice, a doppia gabbia, ad addensamento di corrente. Prova a vuoto e prova in corto circuito di un motore asincrono trifase ai fini della determinazione dei parametri del suo schema equivalente, della valutazione delle perdite, del tracciamento del diagramma circolare. Rendimento dei motori asincroni. Regolazione della velocità dei motori asincroni per commutazione di poli, per mezzo di collegamento in cascata di due motori, per iniezione di forze elettromotrice nel rotore. Regolazione della velocità dei motori asincroni per variazione della frequenza di alimentazione. Regolazione a rapporto tensione/frequenza costante. Applicazione nella trazione. Funzionamento da freno del motore asincrono. Generatrice asincrona. Il motore asincrono monofase: applicazione dell algebra delle sequenze, circuito equivalente, caratteristica elettromeccanica. Regolazione della velocità a frequenza variabile, preceduta dalla descrizione del principio di funzionamento di raddrizzatori e inverter. Macchine sincrone Aspetti costruttivi della macchina sincrona, sua importanza e applicazioni. Modello generale e circuito equivalente per il funzionamento a regime. Caratteristiche costruttive; analisi e modellizzazione del funzionamento a vuoto: caratteristica a vuoto. Funzionamento da alternatore. Diagrammi vettoriali per il funzionamento a regime. Analisi e modellizzazione del funzionamento sotto carico; circuito equivalente della macchina elettrica sincrona a poli lisci; funzionamento della macchina sincrona su rete di potenza prevalente. Coppia meccanica. Stabilità della macchina elettrica sincrona. Diagramma circolare. Funzionamento in corto circuito e caratteristica di corto circuito. Caratteristica a fattore di potenza zero e triangolo di Potier. Regolazione della potenza attiva e reattiva. Cenni al funzionamento da motore. Regime sinusoidale in un alternatore a poli salienti: diagrammi vettoriali di Blondel. - Rilievo delle reattanze sincrone secondo l'asse diretto e secondo l'asse in quadratura di una macchina sincrona a poli salienti. - Grandezze nominali e dati di targa di un alternatore. - Caratteristiche esterne degli alternatori. - Caratteristiche di carico degli alternatori. - Caratteristiche di regolazione degli alternatori. - Caratteristiche della variazione di tensione degli alternatori. - Parallelo di una macchina sincrona su sbarre di una rete a potenza prevalente. Correnti e coppie sincronizzanti. - Funzionamento da generatore, da condensatore sincrono, da induttore sincrono e da motore di una macchina sincrona preventivamente collegata in parallelo su una rete di potenza prevalente. - Avviamento autosincrono delle macchine sincrone. - Forza elettromotrice e coppia elettromagnetica resistente nel funzionamento da generatore di una macchina sincrona; forza controelettromotrice e coppia motrice nel funzionamento da motore. Angolo di coppia. - Espressioni e rappresentazioni grafiche della potenza attiva e della potenza reattiva in funzione dell'angolo di coppia nelle macchine sincrone a rotore liscio e a poli salienti. - La stabilità statica e dinamica delle macchine sincrone collegate a una rete di potenza. - Corto circuito brusco trifase netto di un alternatore funzionante inizialmente a vuoto: andamento delle correnti statorica e

4 rotoriche. Costante di tempo del circuito d'armatura, del circuito d'eccitazione, dei circuiti smorzatori. Reattanze sincrone subtransitoria e transitoria secondo l'asse diretto e secondo l'asse in quadratura. - Curve a V di un motore sincrono. - Motori sincroni a magneti permanenti. - Motori sincroni a riluttanza variabile. Azionamenti con macchine in corrente continua Principio di funzionamento e modello della macchina in corrente continua. Strutture e nomenclatura della macchina a corrente continua. Principio di funzionamento della dinamo. Espressione della forza elettromotrice generata. I tipi di eccitazione delle macchine a corrente continua. Caratteristica a vuoto e caratteristica di magnetizzazione delle dinamo. La reazione di armatura nelle dinamo e suoi inconvenienti. I poli ausiliari e gli avvolgimenti di compensazione. Le caratteristiche esterne delle dinamo. Le caratteristiche di carico delle dinamo. Le caratteristiche di regolazione delle dinamo. La commutazione nelle dinamo: commutazione lineare e commutazione reale. I motori a corrente continua. Le caratteristiche elettromeccaniche e meccaniche dei motori a corrente continua. L'avviamento dei motori a corrente continua. La regolazione della velocità a coppia costante, della coppia a velocità costante, della velocità e della coppia a potenza costante nel motore a corrente continua con eccitazione indipendente. La regolazione della velocità e della coppia nei motori a corrente continua con eccitazione in parallelo e con eccitazione in serie. Applicazioni nelle lavorazioni e nella trazione rispettivamente dei motori con i due tipi di eccitazione. Utilizzazione della macchina a corrente continua nei quattro quadranti del piano coppia/velocità e del piano corrente/tensione. Il gruppo Ward/Leonard con macchine rotanti e con raddrizzatore bidirezionale. Cenni alla regolazione di velocità. Prerequisiti Conoscenze di base di elettrotecnica e teoria dei circuiti. Tipologia delle attività formative Lezioni (ore/anno in aula): 60 Esercitazioni (ore/anno in aula): 30 Laboratori (ore/anno in aula): 0 Progetti (ore/anno in aula): 0 Materiale didattico consigliato Ezio Santini. Dispense del corso. Disponibili al sito Web o da richiedere direttamente al docente: Ciro Di Pieri. Appunti di Macchine Elettriche. CLUP Testi per consultazione A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, R. Kusko, Macchine elettriche. Processi, apparati e sistemi per la conversione di energia, Franco Angeli Ed., 1987, ISBN:

5 A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, S. D. Umans, Electric machinery, McGraw-Hill series in electrical engineering: Power and Energy, McGraw-Hill, 2003, ISBN: , I.Boldea, S.A.Nasar, Electric Drives, CRC Press, 1998, ISBN: , G.R.Slemon, Electric Machines and Drives, Addison-Wesley,1992, ISBN: Modalità di verifica dell'apprendimento L esame si compone di una prova scritta e di una prova orale. La prova scritta è di carattere numerico, nella prova orale si discuteranno gli argomenti teorici sviluppati durante il corso. Entrambe le prove riguarderanno tutti gli argomenti trattati nel corso. La sufficienza nella prova scritta (18/30) è condizione necessaria per l accesso alla prova orale. Data di redazione di questo documento: 28 Settembre 2014 ***************************************************************