MACCHINE ELETTRICHE MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI PROGRAMMA DEL CORSO

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1 MACCHINE ELETTRICHE MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI PROGRAMMA DEL CORSO Docente: Ezio Santini Denominazione del corso: Macchine Elettriche Settore scientifico disciplinare: ING-IND/32 Crediti formativi: CFU 9 Recapiti del docente: sito web uniroma1.it/santini posta elettronica uniroma1.it telefono ufficio cellulare 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 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

2 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 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

3 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 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.

4 MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI (9 CFU, LM ENERGETICA) ANNO ACCADEMICO ADVANCED PROGRAM PROGRAMMA D ESAME E RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Nell A.A è stato attivato il corso di Macchine e Azionamenti Elettrici (9 CFU) per la laurea magistrale in Ingegneria Energetica. È stato contemporaneamente disattivato il corso di Macchine e Convertitori di Energia Elettrica (5 CFU) per la laurea di primo livello in Ingegneria Energetica. Il corso Macchine e Azionamenti Elettrici (9 CFU) ricopre tutti gli argomenti trattati da Macchine e Convertitori di Energia Elettrica (5 CFU); come ovvio, data la differente estensione temporale, ma tenendo anche conto della differente preparazione degli Allievi e dei differenti prerequisiti, nel corso da 9 CFU vengono impartite ulteriori nozioni rispetto al corso da 5 CFU. Il corso Macchine e Azionamenti Elettrici (9 CFU) è obbligatorio per tutti gli Allievi della laurea magistrale. Gli Allievi della laurea magistrale che hanno già sostenuto l esame di Macchine e Convertitori di Energia Elettrica (5 CFU) possono ovviamente sostenere l esame di Macchine e Azionamenti Elettrici (9 CFU) come se non avessero mai sostenuto l esame di Macchine e Convertitori di Energia Elettrica (5 CFU). Dovranno in questo caso superare la prova scritta e successivamente sostenere una prova orale sugli argomenti trattati durante il corso. Questi stessi Allievi, però, e soltanto loro, potranno scegliere un differente programma d esame, al fine di evitare duplicazioni delle nozioni impartite, duplicazioni che sono fisiologiche quando si attua un cambio di ordinamento e si ristruttura un corso di laurea. In questo caso, l esame è soltanto orale. Il programma d esame è dettagliato di seguito (tra parentesi i riferimenti bibliografici). 1. Integrazione di Macchine Elettriche 1.a Il trasformatore trifase (capitolo terzo degli appunti dalle lezioni del prof. Carafa, il programma dettagliato coincide con l intero indice degli appunti). Il file è disponibile dal professore, ma essendo di grandi dimensioni non può essere posto sul server; può essere ritirato dagli Allievi direttamente dal professore con una chiavetta USB. 1.b La macchina sincrona (il programma dettagliato coincide con l intero indice degli appunti. Parte di questi (fino ai motori sincroni) è reperibile sul sito d6dc96030_67.zip)

5 1.c La macchina in corrente continua (appunti dalle lezioni del prof. Carafa, il programma dettagliato coincide con l intero indice degli appunti). Questi sono contenuti in un file PDF di circa 30 MB che il server repository non accetta. Anche questo file può essere richiesto direttamente al professore e verrà consegnato esclusivamente su chiavetta USB. 2. Integrazione di metodi numerici per i dispositivi di potenza ( ( 3. Integrazione di Costruzioni Elettromeccaniche (slides delle lezioni, reperibili dall ing. Claudio Bruzzese, telefono , Parte generale Parti principali delle macchine rotanti e statiche (trasformatori). Cenni sulle fasi progettuali: progetto di massima e progetto esecutivo, specifica tecnica, dati nominali, sicurezza e qualità. Materiali isolanti: sollecitazioni, dimensionamento dielettrico, livello d'isolamento, sovratensioni atmosferiche, di manovra, di laboratorio, caratteristiche dielettriche, isolamenti gassosi, liquidi, solidi, classe termica. Sistemi isolanti: dielettrici stratificati, scariche parziali, carta-olio, isolatori passanti. Conduttori: conducibilità, materiali conduttori nell'industria elettrica, effetto pelle. Trasmissione del calore: meccanismi di trasmissione del calore, raffreddamento delle macchine elettriche, transitorio termico, reti termiche, servizi di funzionamento. Macchine sincrone Morfologie costruttive e motori primi. Forze elettromotrici indotte, stella di cave, avvolgimenti a singolo e doppio strato, embricati, concentrici, ondulati, a passo accorciato, barre Roebel. Forze magnetomotrici e circuiti magnetici, calcolo delle cadute di tensione magnetica nel traferro, nei denti, nei gioghi statorici e rotorici, nei poli, dispersione magnetica. Macchine asincrone Morfologia e sistemi di raffreddamento, circuiti magnetici, avvolgimenti, caratteristiche elettriche, diagramma circolare, rotori a gabbia, campi armonici, parametri caratteristici di una macchina. Trasformatori: Tipologie costruttive, nuclei, lamierini, avvolgimenti, trasformatori in aria ed in olio, raffreddamento, collegamento parallelo e gruppi orari. Nel sito del prof. Santini sono reperibili inoltre molte tesine preparate dagli Allievi degli anni Precedenti, relative alle tematiche culturali sopra elencate Giugno

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