macchine e impianti elettrici

MACCHINE E IMPIANTI ELETTRICI
A.A. 2015/2016
CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA INDUSTRIALE
(Prof. Ing. Giacomo Scelba)
Il corso è a carattere prevalentemente informativo e gli argomenti trattati sono stati scelti in
modo da fornire richiami sulle principali conoscenze di base e una panoramica sugli aspetti
più diffusi delle applicazioni dell’energia elettrica, che possono interessare un ingegnere
industriale. Le finalità sono quelle di fornire allo studente una base di concetti in ambito
elettrico, che possano facilitare la sua comunicazione professionale con ingegneri di alta
specializzazione.
1. Macchine elettriche
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.
1.2. 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.
1.4. 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.
1.5. MACCHINE ROTANTI.
Macchine Elettriche Rotanti in AC: Classificazione. Macchine Isotrope ed Anisotrope. Parametri
caratteristici della progettazione degli avvolgimenti. Disposizione Avvolgimenti su macchine
polifasi. 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.
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. 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.
Modalità esame: prova
scritta con domande con risposta multipla/aperto e prova orale.
Data la varietà di argomenti trattati non è utilizzabile un unico libro di testo, si consiglia pertanto la
preparazione dell’esame anche utilizzando gli appunti delle lezioni.
Testi consigliati
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Materiale didattico fornito dal docente
F. Cottignoli “Macchine Elettriche” - CALDERINI
M. Pezzi “Macchine elettriche” seconda edizione - ZANICHELLI
G. Conte “Impianti elettrici” vol. I e II - HOEPLI
V. Carrescia, Fondamenti di Sicurezza Elettrica - Edizioni TNE