MACCHINE E IMPIANTI ELETTRICI A - L

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea in Ingegneria industriale Anno accademico 2016/ anno MACCHINE E IMPIANTI ELETTRICI A - L ING-IND/32-9 CFU - 2 semestre Docente titolare dell'insegnamento MARIO CACCIATO [email protected] Edificio / Indirizzo: Edificio Polifunzionale (Edificio 3) Telefono: Orario ricevimento: lunedì 9-11, giovedì 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. PREREQUISITI RICHIESTI Sono richieste le conoscenze propedeutiche dei corsi di Fisica II e di Elettrotecnica. FREQUENZA LEZIONI La frequenza e obbligatoria. Si ricorda che per ottenere l'idoneità lo studente e tenuto a frequentare almeno il 70% delle ore del corso. CONTENUTI DEL CORSO 1. Macchine elettriche

2 1.1. RICHIAMI DI ELETTROTECNICA. Circuiti in corrente alternata monofase e trifase. Relazione tra grandezze di linea e grandezze di fase. Definizione di Valore Massimo, Valore Efficace e Valore Medio di una grandezza elettrica sinusoidale. Rappresentazione Fasoriale delle grandezze sinusoidali. Definizione di potenza istantanea nei circuiti elettrici. Potenza Attiva e Potenza Reattiva in reti elettriche monofase e trifase in regime alternato sinusoidale. Principali vantaggi dei sistemi trifase. Analogia tra circuiti elettrici e circuiti magnetici. Campo magnetico generato da un conduttore rettilineo, da una spira e da un solenoide. Regola della mano destra. Forze elettrodinamiche su conduttori percorsi da corrente. Circuiti magnetici in corrente alternata 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. 1.3 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 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 MACCHINE ROTANTI. Macchine Elettriche Rotanti in AC: Classificazione. Macchine Isotrope ed Anisotrope. Parametri caratteristici della progettazione degli avvolgimenti. Disposizione Avvolgimenti su macchine polifasi.

3 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. 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. Sistemi di conversione CA-CC e CC-CA. Tecniche di modulazione. 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.

4 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

5 3. G. Conte Impianti elettrici vol. I e II - HOEPLI 4. V. Carrescia, Fondamenti di Sicurezza Elettrica - Edizioni TNE 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): VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Colloquio orale DATE DEGLI APPELLI Il calendario d'esame è disponibile sul sito della didattica della ex Facoltà di Ingegneria dell'università di Catania PROVE IN ITINERE Non sono previste prove in itinere PROVE DI FINE CORSO Non sono previste prove di fine corso ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI 1. principi di funzinamento delle macchine elettriche. 2. Rendimento convenzionale del trasformatore 3. caduta di tensione industriale 4. circuiti equivaletni delle macchine elettriche 5. caratteristica meccanica delle macchine rotanti