L'insegnamento si propone di fornire le nozioni di base circa le tipologie di macchine elettriche di maggiore impiego per la generazione elettrica e nell'ambito di applicazioni industriali (macchine sincrone e asincrone), analizzando per ciascuna di queste modalità e vincoli di funzionamento in relazione alle esigenze di esercizio del sistema elettrico.

L'insegnamento affronta inoltre lo studio dei sistemi elettrici di potenza, fornendo nozioni in merito alla struttura delle reti e ai relativi criteri di esercizio, anche con riferimento alla liberalizzazione del mercato elettrico. Si approfondiscono inoltre gli aspetti relativi al calcolo dei flussi di potenza e al dispacciamento delle potenze attive e reattive sulle reti.

A seguito del superamento dell’esame, lo studente:

- conosce i termini e i principi di base del funzionamento delle macchine elettriche, specie sincrone e asincrone;

- comprende il funzionamento, le caratteristiche e le esigenze di funzionamento di un sistema elettrico reale;

- comprende le modalità di utilizzo e i vincoli di funzionamento delle macchine elettriche (cfr. generatori) ai fini della conduzione del sistema elettrico;

- conosce i termini e i principi di base del funzionamento dei convertitori elettronici di potenza;

- conosce i termini e i principi alla base dell’approvvigionamento delle risorse di regolazione del sistema elettrico (servizi di dispacciamento);

- in autonomia, è in grado di operare semplici scelte progettuali in merito al dimensionamento e alla definizione del punto di funzionamento all’equilibrio di macchine e sistemi elettrici;

- è in grado di applicare le conoscenze acquisite a semplici problemi specifici del settore elettrico.

Argomento 1. Introduzione al corso: definizione delle principali grandezze fisiche per lo studio delle macchine e i sistemi elettrici. Richiami di elettromagnetismo.

Argomento 2. Introduzione alle macchine elettriche rotanti: la macchina elettrica rudimentale. Reversibilità.

Argomento 3. Il campo magnetico rotante: teorema di Galileo Ferraris.

Argomento 4. Macchina sincrona: principio di funzionamento. Funzionamento a vuoto e a carico. Modello di Behn-Eschemburg. Funzionamento in sovreccitazione e sottoeccitazione. Curve di capability. Caratteristica meccanica. Campi di utilizzo.

Argomento 5. Macchina asincrona: principio di funzionamento. Funzionamento a vuoto e a carico. Espressione della coppia. Caratteristica meccanica. Campi di utilizzo. Problemi di avviamento e controllo dei motori asincroni.

Argomento 6. Richiami sulla struttura del sistema elettrico. Il sistema elettrico di trasmissione. Matrice delle ammettenze: proprietà e metodi di calcolo.

Argomento 7. Equazioni di bilancio della potenza attiva e reattiva (equazioni di Power Flow). Metodi risolutivi con le tecniche di Gauss e Newton. Disaccoppiamento del problema attivo e reattivo.

Argomento 8. Regolazione di frequenza: regolazione primaria, secondaria e terziaria.

Argomento 9. Regolazione di tensione: definizione del problema e possibili approcci per la sua soluzione.

Argomento 10. Introduzione ai sistemi elettrici in regime liberalizzato. Cenni ai mercati elettrici. Modello zonale della rete di trasmissione nazionale. Servizi ancillari di rete: il Mercato del Servizio di Dispacciamento.

Argomento 11. Convertitori statici: tipologie, principi di funzionamento e caratteristiche costruttive (cenni).

Argomento 12. Introduzione alla tematica delle Smart Grid e all'evoluzione delle reti elettrici di distribuzione.

L’insegnamento richiede allo studente la conoscenza dei formalismi matematici e degli strumenti di calcolo di base, con specifico riferimento alla trattazione dei numeri complessi.

Inoltre, è richiesta la conoscenza di base dei principi fisici dell’elettromagnetismo (legge di Faraday-Lenz, Ampere, ecc.) e dell’elettrotecnica (leggi di Ohm, Kirchhoff, ecc.), nonché la capacità di studiare in autonomia semplici circuiti in corrente continua e in regime periodico alternato sinusoidale.

La verifica della preparazione avviene mediante esame che potrà essere sostenuto al termine del semestre o in qualsiasi altro appello disponibile.

L’esame consta di una prova scritta e di una prova orale (facoltativa) che devono essere sostenute nello stesso appello.

Non sono previste prove in itinere.

Non sono previste penalità in caso di valutazioni insufficienti ottenute nella prova scritta.

La valutazione massima conseguibile nello scritto è pari a 27.

La prova scritta è comprensiva sia di esercizi numerici che di domande di teoria (indicativamente: 2 esercizi + 2 domande). La valutazione degli esercizi si basa sia sul loro svolgimento formale che su quello numerico.

La prova scritta è volta ad accertare la capacità di:

- individuare i parametri e costruire il modello elettrico di macchine rotanti sincrone e asincrone, a partire dai relativi dati di targa;

- impostare ed eseguire l’analisi di macchine elettriche nel funzionamento in regime stazionario;

- impostare ed eseguire calcoli di power flow su semplici reti elettriche al fine di individuarne il punto di funzionamento all’equilibrio (profili di tensione, correnti, flussi di potenza);

- valutare le nozioni acquisite in merito agli argomenti di teoria affrontati nel corso.

Se il voto conseguito nel compito scritto è positivo, a seguire (qualche giorno dopo) è possibile sostenere la prova orale.

La prova orale è necessaria per ottenere valutazioni superiori a 27.

L’orale verte su tutti gli argomenti trattati nel corso: teoria e risoluzione di semplici esercizi numerici.

Il conseguimento di una valutazione insufficiente all’orale, o la rinuncia a un voto positivo, implica il dover sostenere nuovamente la prova scritta.