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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2018/2019
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 089244 - MACCHINE ELETTRICHE
Docente Di Gerlando Antonino
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (349) INGEGNERIA ELETTRICA*AZZZZ089244 - MACCHINE ELETTRICHE

Obiettivi dell'insegnamento

Le macchine elettriche sono componenti di ampio utilizzo e fondamentale importanza nei sistemi industriali, nella automazione, nelle applicazioni civili ed elettrodomestiche, nei veicoli di trasporto terrestre a guida autonoma o vincolata, nella propulsione navale elettrica, nei sistemi di generazione di potenza delle centrali elettriche, negli apparati per la generazione distribuita, negli attuatori in ambito aerospaziale, robotico, elettromedicale, negli azionamenti elettrici utilizzanti convertitori elettronici di potenza, trasduttori di segnale e schede di controllo.

Pur nella grande diversità delle applicazioni e considerando l'esistenza di diverse varianti, lo studio delle macchine elettriche viene sviluppato considerandone la loro classificazione secondo tipologie e principi base: le macchine statiche (trasformatori e autotrasformatori); le macchine rotanti in c.a. (macchine sincrone e a induzione) e in c.c. (macchine a collettore).

Lo studio considera le seguenti fasi di approfondimento: descrizione della struttura fisica; analisi qualitativa dei fenomeni e del principio di funzionamento; sviluppo del modello elettromagnetico (in linearità magnetica o considerando la saturazione), finalizzato alla determinazione del circuito equivalente; modalità per la identificazione dei parametri; determinazione delle curve caratteristiche di funzionamento; calcolo delle prestazioni.

Sono analizzati anche i fenomeni termici, con il calcolo delle perdite e lo sviluppo di modelli a rete termica, per lo studio del funzionamento a regime, in transitorio, e in diversi cicli di servizio.


Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione

A seguito del superamento dell’esame, lo studente acquisisce le seguenti competenze:

  • conosce i principi fondamentali, gli aspetti generali, gli elementi di teoria e i concetti base delle macchine elettriche;
  • conosce i termini appropriati e gli elementi principali della teoria delle macchine elettriche statiche e rotanti;
  • conosce il significato e l'elenco delle grandezze nominali e di targa di ogni tipo di macchina elettrica;
  • comprende il funzionamento di una macchina elettrica, ne conosce i modelli e conosce il significato dei loro parametri;
  • comprende le curve caratteristiche che descrivono il funzionamento e le prestazioni di una macchina elettrica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Inoltre, a seguito del superamento dell’esame, lo studente:

  • è in grado di applicare le conoscenze acquisite per calcolare le prestazioni delle macchine elettriche;
  • è in grado di scegliere, per ogni tipo di macchina elettrica in studio, il circuito equivalente più adatto per l'analisi di una specifica condizione di funzionamento;
  • è in grado di individuare i parametri e le variabili di influenza principali che condizionano il funzionamento di una macchina elettrica;
  • è capace di adattare, modificare e utilizzare fogli di calcolo per lo studio del funzionamento e il calcolo delle prestazioni dei diversi tipi di macchina elettrica;
  • è capace di disegnare diagrammi fasoriali di funzionamento e curve caratteristiche;
  • è capace di calcolare le principali quantità funzionali di una macchina elettrica: variazione di tensione, correnti, perdite, rendimento, coppia, velocità, sovratemperature.

Autonomia di giudizio

Durante lo svolgimento dell'esame lo studente deve dimostrare di aver acquisito una autonoma capacità di giudizio sulla adeguatezza del modello adottato per lo studio di ogni macchina elettrica, scegliendo l’approccio più opportuno alla determinazione delle sue prestazioni, con un ragionevole livello di accuratezza.

Abilità comunicative

Inoltre, lo studente è in grado di comunicare efficacemente i risultati dello studio delle caratteristiche di funzionamento delle macchine elettriche, evidenziando la correlazione tra i parametri della macchina studiata e le sue prestazioni.

Capacità di apprendimento

Infine, lo studente ha la possibilità di sviluppare ulteriormente le conoscenze e le procedure acquisite, attraverso attività svolte autonomamente nell'ambito dell'elaborato di Laurea.


Argomenti trattati

Argomenti di teoria

1) Generalità. Circuiti mutuamente accoppiati; flussi principali e di dispersione. Perdite principali e addizionali nei materiali conduttori e magnetici; comportamento dielettrico e termico degli isolanti; rendimento. Fenomeni e modelli per l’analisi termica a regime e in transitorio di una macchina elettrica. Potenza nominale e tipi di servizio di una macchina elettrica; i valori relativi.

2) Il trasformatore. Il trasformatore monofase: struttura e principio di funzionamento; il trasformatore ideale; rapporto di trasformazione e criteri di riporto; rete magnetica e deduzione del circuito equivalente elettrico del trasformatore reale; grandezze nominali e dati di targa; prove a vuoto e in corto circuito per la identificazione dei parametri; corrente a vuoto e tensione di corto circuito; diagrammi fasoriali; perdite e rendimento; variazione di tensione. Trasformatori a rapporto variabile. Trasformatori di misura. Autotrasformatori e trasformatori monofase a tre avvolgimenti. Il trasformatore trifase; collegamento degli avvolgimenti e indice orario; funzionamento in parallelo; nuclei a 3 e a 5 colonne e reattanza omopolare; spostamento del centro stella. Fenomeni transitori.

3) Questioni comuni alle macchine rotanti in c.a.. Avvolgimenti per macchine in c.a.. F.m.m. e distribuzione del campo al traferro. Campo principale e campi armonici. Il campo magnetico rotante e sua rappresentazione mediante fasori spaziali. F.e.m. in avvolgimenti distribuiti e loro rappresentazione mediante fasori temporali. Il fattore di avvolgimento. Principi di conversione elettromeccanica.

4) Macchina a induzione. Macchina a induzione trifase con rotore avvolto: struttura, analisi dei campi al traferro e deduzione del circuito equivalente; funzionamento in regime sinusoidale; coppia elettromagnetica; potenze, perdite, rendimento, caratteristica meccanica nel funzionamento da motore, generatore, freno. Studio della macchina a induzione con rotore a gabbia. Avviamento, funzionamento a regime, inversione di marcia. Prove sulla macchina a induzione: identificazione dei parametri del circuito equivalente per statore collegato a Y o D e rotore avvolto o a gabbia. Motore con rotore a doppia gabbia e a barre profonde; motori a induzione ad alimentazione monofase. Cenni sulla regolazione di velocità.

5) Macchina sincrona. Caratteristiche costruttive (struttura magnetica di rotore, circuito di eccitazione, gabbia di smorzamento). Macchina isotropa: funzionamento a vuoto: distribuzione di f.m.m. e induzione al traferro, flusso di eccitazione, f.e.m indotta, caratteristica di magnetizzazione. Funzionamento a carico: reazione e dispersione, grandezze al traferro e loro rappresentazione con fasori spaziali; studio a regime con diagrammi fasoriali di Potier e di Behn-Eshenburg; angolo di carico, curve caratteristiche; coppie, potenze, perdite, rendimento. Macchina anisotropa: teoria della doppia reazione; diagrammi fasoriali di Blondel e delle due reattanze. Reattanza sincrona, transitoria e subtransitoria. Espressione delle potenze e delle coppie. Corto circuito improvviso e a regime. Prove sulle macchine sincrone. Funzionamento in parallelo: operazioni di inserzione, regolazione della potenza attiva e reattiva, nel funzionamento come generatore e motore. Grandezze nominali e dati di targa. Stabilità statica e dinamica. Diagrammi polari. Cenni alle macchine a magneti permanenti e a riluttanza.

6) Macchina con collettore a lamelle. Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento. Campo al traferro nel funzionamento a vuoto: f.e.m. nell’indotto, funzione del collettore e tensione raccolta alle spazzole. Caratteristica di magnetizzazione. Funzionamento a carico: reazione di indotto; funzione di poli ausiliari e avvolgimenti compensatori; grandezze al traferro e coppia elettromagnetica. Commutazione. Equazioni elettriche. Curve caratteristiche dei motori con eccitazione indipendente, derivata e serie. Perdite e rendimento. Avviamento e regolazione di velocità. Prove sulle macchine a collettore. Cenni al motore universale e al motore con eccitazione a magnete permanente.

Argomenti di esercitazione

Studio del comportamento termico dinamico di un trasformatore

Studio della rete termica stazionaria e dinamica di un trasformatore monofase

Studio del funzionamento di un trasformatore trifase (1^ parte)

Studio del funzionamento di un trasformatore trifase (2^ parte)

Il campo magnetico rotante e gli avvolgimenti distribuiti polifase

Caratteristiche di funzionamento e prestazioni di una macchina sincrona isotropa (1^ parte)

Caratteristiche di funzionamento e prestazioni di una macchina sincrona isotropa (2^ parte)

Studio del funzionamento di un motore a induzione trifase a gabbia (1^ parte)

Studio del funzionamento di un motore a induzione trifase a gabbia (2^ parte)

Caratteristiche di funzionamento di una macchina a c.c.


Prerequisiti

Sono richieste le conoscenze di base dell'Insegnamento di Elettrotecnica, in particolare:

  • i metodi di risoluzione dei circuiti elettrici e magnetici;
  • il regime sinusoidale, l'algebra dei fasori e i sistemi trifase;
  • i transitori del 1° e 2° ordine;
  • le nozioni fondamentali dei campi di conduzione, dielettrico e magnetico;
  • la legge dell'induzione elettromagnetica, il principio dei lavori virtuali e la legge delle azioni elettrodinamiche.

Modalità di valutazione

L'esame è orale, consta di tre domande e riguarda gli argomenti trattati a lezione e sviluppati nelle esercitazioni.

Durante il colloquio vengono valutate le seguenti abilità nella esposizione degli argomenti:

- capacità di organizzare in modo ordinato e logico il tema assegnato;

- capacità di focalizzare la presentazione sugli obiettivi prioritari del tema in discussione;

- livello di approfondimento critico dell'argomento in discussione;

- qualità dell’esposizione: proprietà di linguaggio, capacità di elaborazione analitica per sviluppare le dimostrazioni, capacità di interazione con l'interlocutore nella trattazione di un argomento;

- conoscenza degli ordini di grandezza delle principali grandezze di funzionamento delle macchine elettriche.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaIl materiale didattico dell'insegnamento (lezioni, esercitazioni, slides) è disponibile sul Sito Web Polimi dedicato https://beep.metid.polimi.it/
Note:

Il materiale include: il testo delle lezioni: Appunti di Macchine elettriche, autori A. Di Gerlando, R. Perini; una raccolta di esercitazioni (testi, tracce di soluzione, soluzioni su foglio di calcolo); una raccolta delle slides, utilizzate come supporto delle lezioni.

Risorsa bibliografica facoltativaS. Crepaz, Macchine elettriche, Editore: CLUP - Milano
Risorsa bibliografica facoltativaM. Ubaldini, Macchine Elettriche, Editore: Esculapio-Progetto Leonardo, Bologna
Risorsa bibliografica facoltativaM. Andriollo, G. Martinelli, A. Morini, Le Macchine Elettriche Rotanti, Editore: Cortina, Padova, Anno edizione: 2003
Risorsa bibliografica facoltativaM. Andriollo, G. Martinelli, A. Morini, I trasformatori. Esercizi con elementi di teoria, Editore: Cortina, Padova, Anno edizione: 1995
Risorsa bibliografica facoltativaR. Manigrasso, Macchine elettriche , Editore: Cusl
Risorsa bibliografica facoltativaA. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr, S. D. Umans, Electric Machinery, Editore: Mc Graw Hill, Anno edizione: 2003

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
18/01/2021