GUIDA ALLA PREPARAZIONE DELL ESAME INTRODUZIONE Questa guida è rivolta a tutti gli studenti che intendono sostenere l esame del corso di Macchine e Azionamenti Elettrici in forma orale. I testi consigliati per la preparazione dell esame sono i seguenti: [1] L.Olivieri, E.Ravelli, Elettrotecnica per Elettrotecnica ed Automazione, vol.2, CEDAM Editrice,Padova, 1996. [2] E.Pagano, M.L.Grassi, R.Rizzo, Macchine ed Azionamenti Elettrici, Liguori Editore, Napoli, 1999. Entrambi i testi trattano tutti gli argomenti richiesti all esame. Il testo [1] è ampiamente diffuso ed è generalmente considerato un testo di riferimento per quanto riguarda lo studio delle macchine elettriche da diversi decenni. Su questo testo, contenente un numero di argomenti superiore a quelli necessari alla preparazione dell esame, è basata la guida presente. Il testo [2] è stato redatto dal Prof. Pagano, che ha anche registrato le videolezioni del corso; esso è quindi pienamente aderente ai contenuti di queste ultime e, per il momento, non ho fornito indicazioni riguardanti la preparazione dell esame basata su questo testo. I contenuti di questa guida sono organizzati nel modo seguente: dapprima viene fornito l indice del testo consigliato [1], in seguito viene fornita una indicazione sugli argomenti richiesti all esame, indicando il grado di approfondimento richiesto. INDICE PARTE TERZA: MACCHINE ELETTRICHE CAPITOLO 3.1: Generalità sulle macchine elettriche Conversione elettromeccanica dell energia 3.1.1 Macchine elettriche 3.1.2 Perdite nelle macchine elettriche - Rendimento 3.1.3 Riscaldamento delle macchine elettriche 3.1.4 Conversione elettromeccanica dell energia 3.1.5 Bilancio energetico di un sistema elettromagnetico 3.1.6 Sistemi a riluttanza variabile 3.1.7 Sistemi elettrodinamici 3.1.8 Sistemi a induzione CAPITOLO 3.2: TRASFORMATORI 3.2.1 Principio di funzionamento del trasformatore 3.2.2 Il trasformatore reale - Funzionamento a vuoto 3.2.3 Funzionamento a carico - Variazione di tensione 3.2.4 Funzionamento in corto circuito 3.2.5 Bilancio delle potenze e rendimento 3.2.6 Trasformatori trifase 3.2.7 Principi costruttivi dei trasformatori 3.2.8 Funzionamento in parallelo dei trasformatori 3.2.9 Trasformatori speciali CAPITOLO 3.3: Componenti elettronici di potenza e convertitori statici 3.3.1 Generalità sui componenti elettronici di potenza
3.3.2 Diodi di potenza 3.3.3 Transistori di potenza: BJT, MOSFET, IGBT 3.3.4 Transistori SCR e GTO 3.3.5 Triac 3.3.6 Diac e circuiti di innesco per SCR 3.3.7 Generalità sui convertitori statici 3.3.8 Convertitori c.c. - c.c. abbassatori di tensione (buck converters) 3.3.9 Convertitori c.c. - c.c. elevatori di tensione (boost converters) 3.3.10 Convertitori c.c. - c.c. abbassatori - elevatori di tensione (buck - boost converters) 3.3.11 Convertitori c.c. - c.a. - Funzionamento a onda quadra 3.3.12 Configurazione trifase dei convertitori c.c. - c.a. 3.3.13 Regolazione della tensione di uscita dei convertitori c.c. - c.a. - Modulazione di larghezza degli impulsi (PWM) 3.3.14 Raddrizzatori monofase non controllati 3.3.15 Raddrizzatori trifase e polifase 3.3.16 Principio di funzionamento dei raddrizzatori controllati 3.3.17 Raddrizzatori controllati a ponte monofase di Graetz 3.3.18 Convertitori bidirezionali 3.3.19 Convertitori c.a. - c.a. - Regolatori di c.a. CAPITOLO 3.4: MOTORI ASINCRONI TRIFASE 3.4.1 Struttura dei motori asincroni trifase 3.4.2 Conformazione del campo rotante 3.4.3 Principio di funzionamento 3.4.4 Avviamento dei motori asincroni 3.4.5 Circuito equivalente del motore asincrono 3.4.6 Diagramma delle correnti al variare dello scorrimento 3.4.7 Potenze - Perdite - Rendimento 3.4.8 Caratteristiche di funzionamento del motore asincrono 4.4.9 Azionamenti con motori asincroni 3.4.10 Variazione della velocità tramite il controllo dell ampiezza della tensione di alimentazione 3.4.11 Variazione della velocità tramite il controllo della tensione e della frequenza di alimentazione 3.4.12 Variazione della velocità con cicloconvertitori 3.4.13 Azionamento a corrente impressa 3.4.14 Azionamento con controllo della potenza trasmessa al rotore - Metodi Kramer e Scherbius 3.7.10 Cenni sulle tecniche di controllo vettoriale CAPITOLO 3.5: MACCHINE SINCRONE - GENERATORI E MOTORI 3.5.1 Principio di funzionamento e struttura degli alternatori 3.5.2 Particolarità costruttive del sistema induttore - Eccitazione 3.5.3 Disposizioni costruttive dello statore - Avvolgimenti indotti 3.5.4 F.e.m. generata da un alternatore - Relazione fra velocità e frequenza 3.5.5 Alternatori trifasi 3.5.6 Funzionamento dell alternatore a vuoto e a carico - Reazione di indotto 3.5.7 Diagrammi vettoriali di funzionamento - Espressione della coppia 3.5.8 Caratteristiche esterne dell alternatore - Regolazione della tensione 3.5.9 Potenza erogata - Perdite e rendimento degli alternatori 3.5.10 Accoppiamento in parallelo degli alternatori - Regolazione del carico 3.5.11 Motori sincroni
3.5.12 Azionamenti con motori sincroni CAPITOLO 3.6: GENERATORI DI CORRENTE CONTINUA O DINAMO 3.6.1 Principio di funzionamento delle macchine a corrente continua 3.6.2 Particolarità costruttive del sistema indotto 3.6.3 Particolarità costruttive del sistema induttore - Circuiti di eccitazione 3.6.4 Il funzionamento a vuoto delle dinamo 3.6.5 Funzionamento a carico delle dinamo - Reazione di indotto - Commutazione 3.6.6 Curve di funzionamento a carico delle dinamo 3.6.7 Potenze, perdite e rendimento delle dinamo CAPITOLO 3.7: MOTORI A CORRENTE CONTINUA 3.7.1 Principio di funzionamento - Reversibilità della dinamo 3.7.2 Funzionamento a carico del motore - Avviamento 3.7.3 Reazione di indotto, commutazione e verso di rotazione nei motori a corrente continua 3.7.4 Caratteristiche di funzionamento dei motori - Regolazione della velocità 3.7.5 Potenze, perdite e rendimento dei motori 3.7.6 Generalità sulla regolazione di velocità dei motori a corrente continua 3.7.7 Equazioni del motore a corrente continua con eccitazione separata 3.7.8 Caratteristiche dei convertitori per gli azionamenti a c.c. 3.7.9 Struttura degli azionamenti a c.c. CAPITOLO 3.8: MOTORI SPECIALI 3.8.1 Motore asincrono bifase 3.8.2 Motore asincrono monofase 3.8.3 Motore asincrono a poli schermati 3.8.4 Motore a corrente continua a magneti permanenti (MP) 3.8.5 Motore monofase a collettore - Motore universale 3.8.7 Motore sincrono a riluttanza 3.8.8 Motore sincrono ad isteresi 3.8.9 Motore sincrono a magneti permanenti 3.8.10 Azionamento brushless 3.8.10 Motore a passo 3.8.10 Azionamento con motore a passo 3.8.11 Motore lineare ad induzione Esercizi sulla parte terza CAPITOLO E3.2 Trasformatori CAPITOLO E3.3 Convertitori statici CAPITOLO E3.4 Motori asincroni trifase CAPITOLO E3.5 Macchine sincrone CAPITOLO E3.6 Generatori a corrente continua CAPITOLO E3.7 Motori a corrente continua ARGOMENTI RICHIESTI ALL ESAME A ciascuno degli argomenti elencati nel seguito è stato associato il grado di approfondimento richiesto all esame. Tale grado di approfondimento è legato alla rilevanza dell argomento (ai fini del superamento dell esame), indicata da una delle cifre seguenti:
(0) argomento non richiesto all esame; (1) argomento poco rilevante; (2) argomento mediamente rilevante; (3) argomento molto rilevante. Gli argomenti associati al grado di approfondimento 1 non sono, di solito, richiesti all esame ma consentono di raggiungere una conoscenza maggiormente organica e completa degli argomenti richiesti con grado di approfondimento 2 e 3. Gli argomenti sono presentati nell ordine con cui vengono proposti nel testo [1]. Tutti i capitoli o i paragrafi di [1] che non sono esplicitamente elencati nel seguito sono da considerare non richiesti all esame (approfondimento 0). Nel caso di paragrafi suddivisi in sottoparagrafi, vengono forniti anche i titoli di tali sottoparagrafi con il grado di approfondimento richiesto; l indicazione del grado di approfondimento a fianco del titolo di un paragrafo contenente sottoparagrafi riguarda la trattazione degli argomenti introduttivi che precedono il primo sottoparagrafo. Per i paragrafi dei quali non è riportata la suddivisione in sottoparagrafi è richiesto un grado di approfondimento uniforme, indicato a fianco del titolo del paragrafo stesso. INDICE PARTE TERZA: MACCHINE ELETTRICHE CAPITOLO 3.1: Generalità sulle macchine elettriche Conversione elettromeccanica dell energia 3.1.1 Macchine elettriche (1) 3.1.2 Perdite nelle macchine elettriche Rendimento (3) 3.1.3 Riscaldamento delle macchine elettriche (sufficiente la parte discorsiva) (2) 3.1.4 Conversione elettromeccanica dell energia (2) 3.1.5 Bilancio energetico di un sistema elettromagnetico (2) 3.1.6 Sistemi a riluttanza variabile (3) 3.1.7 Sistemi elettrodinamici (3) 3.1.8 Sistemi a induzione (3) CAPITOLO 3.2: TRASFORMATORI 3.2.1 Principio di funzionamento del trasformatore (3) 3.2.2 Il trasformatore reale - Funzionamento a vuoto (3) 3.2.3 Funzionamento a carico - Variazione di tensione (1) (Diagramma di Kapp (0)) 3.2.4 Funzionamento in corto circuito (3) 3.2.5 Bilancio delle potenze e rendimento (3) 3.2.6 Trasformatori trifase (1) (studio del trasformatore trifase (3)) 3.2.7 Principi costruttivi dei trasformatori (1) 3.2.8 Funzionamento in parallelo dei trasformatori (0) 3.2.9 Trasformatori speciali (0) CAPITOLO 3.3: Componenti elettronici di potenza e convertitori statici 3.3.1 Generalità sui componenti elettronici di potenza (3) 3.3.2 Diodi di potenza (1) 3.3.3 Transistori di potenza: BJT, MOSFET, IGBT (1) 3.3.4 Transistori SCR e GTO (0) 3.3.5 Triac (0) 3.3.6 Diac e circuiti di innesco per SCR (0)
3.3.7 Generalità sui convertitori statici (3) 3.3.8 Convertitori c.c. - c.c. abbassatori di tensione (buck converters) (2) 3.3.9 Convertitori c.c. - c.c. elevatori di tensione (boost converters) (2) 3.3.10 Convertitori c.c. - c.c. abbassatori - elevatori di tensione (buck - boost ) (2) 3.3.11 Convertitori c.c. - c.a. - Funzionamento a onda quadra (2) 3.3.12 Configurazione trifase dei convertitori c.c. - c.a. (2) 3.3.13 Regolazione della tensione di uscita dei convertitori c.c. - c.a. - Modulazione di larghezza degli impulsi (PWM) (3) 3.3.14 Raddrizzatori monofase non controllati (2) 3.3.15 Raddrizzatori trifase e polifase (1) 3.3.16 Principio di funzionamento dei raddrizzatori controllati (1) 3.3.17 Raddrizzatori controllati a ponte monofase di Graetz (0) 3.3.18 Convertitori bidirezionali (0) 3.3.19 Convertitori c.a. - c.a. - Regolatori di c.a. (0) CAPITOLO 3.4: MOTORI ASINCRONI TRIFASE 3.4.1 Struttura dei motori asincroni trifase (1) 3.4.2 Conformazione del campo rotante (1) 3.4.3 Principio di funzionamento (3) 3.4.4 Avviamento dei motori asincroni (1) 3.4.5 Circuito equivalente del motore asincrono (3) 3.4.6 Diagramma delle correnti al variare dello scorrimento (0) 3.4.7 Potenze - Perdite Rendimento (3) 3.4.8 Caratteristiche di funzionamento del motore asincrono (2) 4.4.9 Azionamenti elettrici (3) 3.4.10 Variazione della velocità tramite il controllo dell ampiezza della tensione di alimentazione (1) 3.4.11 Variazione della velocità tramite il controllo della tensione e della frequenza di alimentazione (3) 3.4.12 Variazione della velocità con cicloconvertitori (0) 3.4.13 Azionamento a corrente impressa (0) 3.4.14 Azionamento con controllo della potenza trasmessa al rotore - Metodi Kramer e Scherbius (0) 3.7.10 Cenni sulle tecniche di controllo vettoriale (2) CAPITOLO 3.5: MACCHINE SINCRONE - GENERATORI E MOTORI (0) 3.5.1 Principio di funzionamento e struttura degli alternatori 3.5.2 Particolarità costruttive del sistema induttore - Eccitazione 3.5.3 Disposizioni costruttive dello statore - Avvolgimenti indotti 3.5.4 F.e.m. generata da un alternatore - Relazione fra velocità e frequenza 3.5.5 Alternatori trifasi 3.5.6 Funzionamento dell alternatore a vuoto e a carico - Reazione di indotto 3.5.7 Diagrammi vettoriali di funzionamento - Espressione della coppia 3.5.8 Caratteristiche esterne dell alternatore - Regolazione della tensione 3.5.9 Potenza erogata - Perdite e rendimento degli alternatori 3.5.10 Accoppiamento in parallelo degli alternatori - Regolazione del carico 3.5.11 Motori sincroni 3.5.12 Azionamenti con motori sincroni CAPITOLO 3.6: GENERATORI DI CORRENTE CONTINUA O DINAMO 3.6.1 Principio di funzionamento delle macchine a corrente continua (2) (avvolgimenti embricati e ondulati (1))
3.6.2 Particolarità costruttive del sistema indotto (1) 3.6.3 Particolarità costruttive del sistema induttore - Circuiti di eccitazione (1) 3.6.4 Il funzionamento a vuoto delle dinamo (0) 3.6.5 Funzionamento a carico delle dinamo - Reazione di indotto Commutazione (0) 3.6.6 Curve di funzionamento a carico delle dinamo (0) 3.6.7 Potenze, perdite e rendimento delle dinamo (0) CAPITOLO 3.7: MOTORI A CORRENTE CONTINUA 3.7.1 Principio di funzionamento - Reversibilità della dinamo (2) 3.7.2 Funzionamento a carico del motore Avviamento (2) 3.7.3 Reazione di indotto, commutazione e verso di rotazione nei motori a corrente continua (0) 3.7.4 Caratteristiche di funzionamento dei motori - Regolazione della velocità (2) 3.7.5 Potenze, perdite e rendimento dei motori (2) 3.7.6 Generalità sulla regolazione di velocità dei motori a corrente continua (3) 3.7.7 Equazioni del motore a corrente continua con eccitazione separata (3) 3.7.8 Caratteristiche dei convertitori per gli azionamenti a c.c. (3) (solo paragrafo introduttivo eccetto schema di fig.3.7.8.5 di importanza (2)) 3.7.9 Struttura degli azionamenti a c.c. (1) CAPITOLO 3.8: MOTORI SPECIALI 3.8.1 Motore asincrono bifase (0) 3.8.2 Motore asincrono monofase (0) 3.8.3 Motore asincrono a poli schermati (0) 3.8.4 Motore a corrente continua a magneti permanenti (MP) (2) 3.8.5 Motore monofase a collettore - Motore universale (0) 3.8.7 Motore sincrono a riluttanza (0) 3.8.8 Motore sincrono ad isteresi (0) 3.8.9 Motore sincrono a magneti permanenti (3) 3.8.10 Azionamento brushless (2) 3.8.10 Motore a passo (0) 3.8.10 Azionamento con motore a passo (0) 3.8.11 Motore lineare ad induzione (0) Esercizi sulla parte terza CAPITOLO E3.2 Trasformatori Svolgere: 3.2.1, 3.2.2 (punti c e d), 3.2.3, 3.2.4, 3.2.5, 3.2.7, 3.2.8, 3.2.9, provare a svolgere il maggior numero possibile di esercizi proposti CAPITOLO E3.3 Convertitori statici Svolgere: 3.3.1, 3.3.2, 3.3.3 CAPITOLO E3.4 Motori asincroni trifase Svolgere: 3.4.1, 3.4.2, 3.4.3, 3.4.6, 3.4.7, 3.4.8, 3.4.12 (tralasciare i quesiti dopo il punto c), 3.4.14, 3.4.15 (escluso il punto d); provare a svolgere gli esercizi proposti 3.4.20 e 3.4.21. CAPITOLO E3.7 Motori a corrente continua Svolgere: 3.7.1, 3.7.2,