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EMILIO LORENZANI
Professore Ordinario
Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria
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Insegnamento: Elettrotecnica e macchine elettriche
Ingegneria meccatronica (Offerta formativa 2024)
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base nell'ambito dell'analisi dei circuiti elettrici e dei principi di funzionamento delle più diffuse macchine elettriche.
Di seguito vengono riportati gli obiettivi di apprendimento, in riferimento ai descrittori di Dublino.
Conoscenza e capacità di comprensione delle seguenti tematiche.
1. Regime quasi stazionario e teoria dei circuiti a parametri concentrati.
2. Metodi classici di risoluzione dei circuiti elettrici in corrente continua.
3. Comportamento energetico dei bipoli Condensatore e Induttore.
4. Analisi di circuiti elettrici che presentano transitori del primo e secondo ordine.
5. Analisi dei circuiti elettrici in condizione di regime sinusoidale.
6. Concetto di potenza elettrica in regime sinusoidale e rifasamento.
7. Sistemi trifase.
8. Teoria generale della conversione elettromeccanica dell’energia.
9. Concetto di regione di funzionamento a coppia costante e a potenza costante.
Struttura, principio di funzionamento e circuito equivalente delle seguenti macchine elettriche:
10. macchina elettrica in corrente continua;
11. trasformatore;
12. macchina sincrona;
13. macchina a induzione.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione alle seguenti tematiche.
14. Risoluzione di circuiti in corrente continua in condizioni di regime e transitorio.
15. Risoluzione di circuiti in regime sinusoidale.
16. Determinazione del punto di lavoro di macchine in corrente continua a magneti permanenti, ad eccitazione indipendente e ad eccitazione serie.
17. Calcolo della coppia/forza agente su un elettromagnete.
18. Procedure standard per la determinazione dei parametri interni del circuito equivalente del trasformatore reale e determinazione del rendimento convenzionale.
19. Calcolo del punto di lavoro di macchine a induzione.
Prerequisiti
Analisi matematica, Fisica I, Fisica II.
Programma del corso
Regime quasi stazionario, modello a parametri concentrati e bipoli. Teoria dei circuiti. Circuiti magnetici e mutuo accoppiamento.
Metodi di risoluzione di circuiti in corrente continua.
Circuiti a parametri concentrati. Comportamento energetico dei bipoli C ed L.
Analisi dei circuiti in regime transitorio con soluzione nel dominio del tempo.
Circuiti in condizioni di regime sinusoidale: metodo simbolico (trasformata di Steinmetz). Potenza in regime sinusoidale. Rifasamento. Risonanza e antirisonanza.
Sistemi trifase. Collegamenti a stella e a triangolo.
Trasformatore monofase, ideale, quasi-ideale e reale. Principio di funzionamento e circuito equivalente. Funzionamento a vuoto e a carico con determinazione dei diagrammi fasoriali. Rendimento convenzionale. Prova a vuoto e in corto circuito.
Conversione elettromeccanica dell’energia. Energia e Coenergia. Determinazione della forza/coppia erogata da un attuatore elettrico.
Principio di funzionamento della macchina in corrente continua a magneti permanenti, ad eccitazione indipendente ed eccitazione serie. Circuito equivalente. Caratteristica meccanica. Tecniche per cambiare la velocità di rotazione. Regione di funzionamento a coppia costante e a potenza costante.
Struttura delle macchine sincrone e dei motori brushless a magneti permanenti. Principio di funzionamento e tecniche di controllo del motore brushless trapezoidale e sinusoidale. Modello stazionario delle macchine a magneti permanenti.
Campo magnetico rotante. Struttura e principio di funzionamento della macchina a induzione. Modello stazionario della macchina a induzione. Modello circuitale equivalente. Prova a vuoto e a rotore bloccato. Regolazione della velocità della macchina a induzione. Controllo del rapporto tensione/frequenza costante.
Metodi didattici
Il corso prevede principalmente l’utilizzo di lezioni frontali, contestualmente all’introduzione dei nuovi concetti ne viene data subito l’applicazione tramite la soluzione di semplici esempi fino ad arrivare allo studio di sistemi complessi. Gli argomenti del corso vengono trattati con metodo analitico e/o euristico. La risoluzione degli esercizi avviene mediante metodi analitici e con l’utilizzo di ipotesi semplificative del modello del sistema.
Le lezioni teoriche verranno svolte a distanza in modo asincrono (registrate) a causa della situazione
sanitaria COVID19, mentre alcune esercitazioni verranno svolte a distanza in modo sincrono (streaming) e messe a disposizione anche in forma registrata.
Testi di riferimento
Possibili libri di testo/consultazione:
Rizzoni G., "Elettrotecnica, Principi e applicazioni",
McGraw-Hill, 3a edizione, 2013
G. Fabricatore, "Elettrotecnica ed applicazioni",
Ed. Liguori, 1994
Olivieri e Ravelli "Principi ed Applicazioni di Elettrotecnica", Volume 1 e Volume 2, CEDAM
Fitzgerald A. E. , Kinsley C. jr. , "Macchine Elettriche", F. Angeli (advanced)
Schaum's Solved Problems Series: 3000 Solved Problems in Electric Circuits
Verifica dell'apprendimento
L’esame prevede:
- una prova scritta applicativa sulla risoluzione di 3 esercizi di circuiti elettrici: circuito in corrente continua, circuito in corrente alternata e circuito al transitorio. L’obiettivo è quello di verificare la capacità di applicare le nozioni teoriche in contesti concreti, con la finalità di verificare gli obiettivi di apprendimento 2-6 e 14-15.
- una prova orale (riservata ai soli studenti che hanno superato con sufficienza la prova scritta) volta a verificare il conseguimento da parte dello studente di tutti gli obiettivi di apprendimento 1-19 mediante l'esposizione di temi proposti dal docente. Ci si concentrerà con maggiore insistenza sugli obiettivi di apprendimento non trattati (o non trattati appieno) nella prova scritta.
Entrambe le prove devono essere sufficienti per il superamento dell’esame.
Risultati attesi
Conoscenza e capacità di comprensione:
Tramite lezioni in aula, lo studente apprende i principi fondamentali dell’elettrotecnica e delle macchine elettriche, e acquisisce la capacità di comprenderne la letteratura specifica.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Tramite le esercitazioni pratiche, lo studente è in grado di applicare le conoscenze acquisite per la risoluzione di circuiti, reti elettriche e macchine elettriche.
Capacità di apprendimento:
Le attività descritte consentono allo studente di acquisire gli strumenti metodologici per affrontare la formazione continua, per potere provvedere autonomamente al proprio aggiornamento al fine di facilitare l'adattamento ai cambiamenti tecnologici, organizzativi e contestuali.
Abilità comunicative:
Lo studente avrà sviluppato la capacità di esporre in modo chiaro gli argomenti affrontati nel corso argomentando con precisione.
Autonomia di giudizio:
Lo studente avrà sviluppato la capacità di affrontare con autonomia le scelte metodologiche di analisi e soluzione dei problemi relativi alle tematiche affrontate nel corso.