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Sistemi elettrici industriali

04CIIPL, 04CIIPI

A.A. 2022/23

2021/22

Sistemi elettrici industriali

La richiesta di una sempre maggiore sostenibilità dei processi produttivi ed industriali richiede, all’ingegnere gestionale, la padronanza dei concetti base relativi all’elettrificazione e ai problemi/sfide ad essa correlati. Per approfondire tali aspetti, l’insegnamento “Sistemi elettrici industriali” (attività formativa affine o integrativa – A11) offre agli studenti una visione completa dei sistemi elettrici, partendo dai fondamenti del calcolo dei circuiti elettrici e dagli aspetti essenziali delle applicazioni elettriche in ambito industriale, fino a trattare, con particolare riguardo, i problemi relativi alla progettazione e gestione dei sistemi elettrici. Il programma prevede perciò una prima parte dedicata all’analisi dei circuiti elettrici in regime stazionario e sinusoidale e allo studio dei sistemi trifase. La seconda parte, dopo una sezione dedicata al trasformatore, tratta i principi della produzione e trasmissione dell’energia elettrica e considera poi gli impianti elettrici in bassa tensione, soffermandosi sugli aspetti progettuali, normativi ed economici.

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Sustainability of industrial and manifacturing processes is one of the main goals to be reached in the next future. Within this framework, the electrification of consumptions will play a major role: for this reason, management engineers must handle with concepts, as well as all challenges and issues related to it. For those reasons, this course offers a complete vision regarding all the aspects of power systems, starting from the basics (calculation of simple direct and alternate current circuits) to all the aspects regarding the industrial application, the design and the operation of the electrical systems. The first part of the course focuses on the basics of electrical circuit analysis. The second part starts with some outlines about electrical machines and transformers. Afterwards, it deals with production, transmission and distribution of the electricity, focusing then on low-voltage electrical systems, their design, as well as on standards and economic aspects.

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1) Capacità di risolvere semplici circuiti in regime stazionario e sinusoidale. 2) Capacità di risolvere semplici circuiti trifase simmetrici ed equilibrati. 3) Conoscenza dei concetti base di: collegamento dei circuiti, regime sinusoidale, rifasamento, perdite e cadute di tensione nelle linee. 4) Conoscenza dei concetti base sul sistema elettrico e le fonti energetiche tradizionali e rinnovabili. 5) Capacità di progettare un semplice impianto elettrico di distribuzione. 6) Conoscenza dei concetti base di sicurezza elettrica. 7) Conoscenza degli aspetti economici e tariffari dell’energia elettrica.

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Solving simple DC and AC circuits. Solving simple symmetrical and balanced three-phase systems. Basic knowledge of circuit topology, DC and AC systems, power factor correction, line losses and voltage drop. Design of a simple low-voltage distribution system. Basic knowledge of electrical safety. Basic knowledge of the economic aspects of electric energy.

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1) Nozioni base di algebra, geometria e analisi matematica. 2) Numeri complessi (forma polare e cartesiana). 3) Nozioni base di elettromagnetismo.

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Basic knowledge of algebra, geometry, mathematical analysis. Arithmetic of complex numbers. Basics of electromagnetism.

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Circuiti elettrici in regime stazionario. Circuiti elettrici in regime periodico sinusoidale. Sistemi trifase. Nozioni sul trasformatore. Impianti elettrici: produzione e trasmissione dell’energia elettrica, fonti energetiche, componenti elettrici e protezione contro le sovracorrenti, sicurezza elettrica, progettazione elettrica e valutazioni economiche. Programma dettagliato PARTE I a) Circuiti elettrici in regime stazionario Circuito elettrico elementare. Regime stazionario. Definizione delle grandezze fondamentali. Concetto di bipolo. Convenzioni di segno. Principi di Kirchhoff. Connessioni di bipoli: serie, parallelo, stella, triangolo. Partitore di tensione e di corrente. Scrittura delle equazioni di Kirchhoff di una rete. Principio di sovrapposizione degli effetti. Teoremi di Thévenin e Norton. Teorema di Millman. Trasformazione stella-triangolo. Potenze in regime stazionario. b) Circuiti elettrici in regime periodico sinusoidale Generalità sul regime variabile. Regime periodico sinusoidale. Energie nei campi elettrico e magnetico. Bipoli conservativi: induttore e condensatore ideale. Valori caratteristici delle funzioni periodiche. Corrispondenza tra sinusoidi e fasori. Metodo simbolico. Soluzione di una rete con il metodo simbolico. Impedenza e ammettenza. Impedenza equivalente. Potenze in regime sinusoidale. Triangolo delle potenze e potenza complessa. Teorema di Boucherot. Rifasamento. c) Sistemi trifase Tensioni stellate e concatenate. Correnti di linea e di lato. Carichi equilibrati. Sistemi simmetrici. Circuito monofase equivalente. Carichi squilibrati. Sistemi dissimmetrici. Potenze nei sistemi trifase. Relazioni generali per sistemi a tre e a quattro fili. Misura della potenza. Inserzione Aron. Rifasamento nei sistemi trifase. PARTE II a) Generalità sulle macchine elettriche e nozioni sul trasformatore Richiami sui campi magnetici. Trasformatore e sue applicazioni. Cenni sulle macchine rotanti. b) Produzione e trasmissione dell’energia elettrica Generalità sul sistema di produzione e trasmissione dell'energia elettrica. Fonti convenzionali e rinnovabili. Sistemi di accumulo. Generazione distribuita. Struttura delle reti di distribuzione. Smart grid. c) Componenti del sistema elettrico Linee elettriche (rendimento linea, caduta di tensione linee trifase e monofase) Sistemi di protezione contro le sovracorrenti: Fenomeno dell'arco elettrico. Apparecchiatura di manovra e protezione. Relè: tipi e impieghi. Relè magnetico, termico e differenziale. Condutture elettriche. d) Progettazione di sistemi di distribuzione in Bassa Tensione (BT) Coordinamento tra protezioni e condutture. Cenni sulla progettazione dei sistemi di distribuzione dell'energia elettrica negli stabilimenti industriali. Valutazione del fabbisogno elettrico. Cabine di trasformazione e quadri elettrici. Impianti di rifasamento industriale. e) Sicurezza elettrica Generalità. Principali definizioni. Sistemi di distribuzione TT, TN e IT. Impianti di terra. Protezione contro i contatti diretti. Protezione contro i contatti indiretti. f) Tariffazione dell’energia elettrica. Mercato elettrico.

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Basic electrical quantities. Direct current (DC). Sign conventions. Kirchhoff’s laws. Series and parallel circuits. Thévenin’s theorem. Millman’s theorem. Superposition theorem. Power in DC circuits. Variable behavior. Energy in electric and magnetic fields. Alternating current (AC). Frequency and phase angle of sinusoidal waveforms. AC steady-state. Phasor diagram and complex numbers for AC circuit analysis. Impedance and admittance. Active and reactive power. Power triangle. Boucherot’s theorem. Power factor correction. AC circuits analysis. Three-phase systems. Wye and delta connection. Balanced and unbalanced systems. Three-phase power. Power measurement. Basics of electrical machines. Ideal transformer. Magnetization and load losses. Equivalent circuit. Three-phase transformers. Outline of AC rotating machines. Modern electrical power systems: generation, transmission, distribution and utilization. Renewable energy sources. Power plants. Transmission grid. Distribution networks. Neutral grounding. Electric faults. Overcurrent protection. Circuit breakers. Thermal, magnetic and residual current devices. Electric cables. Design of electrical distribution systems. Basics of electrical safety. Electrical hazards. Earthing systems. TT, TN and IT earthing systems. Preventing electrical contacts. Use of differential relay. Electric cabins. Power factor correction methods in distribution systems. Electricity tariffs. Electricity market.

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Come studiare Il lavoro di comprensione è basilare in questo insegnamento mentre quello di memorizzazione è abbastanza limitato, soprattutto nella prima parte (teoria dei circuiti). L’esperienza insegna che sono necessari: - Lo studio personale tra una lezione e l’altra, o al massimo entro due lezioni. Chi trascura questa pratica riduce drasticamente la possibilità di superare l’esame in tempi brevi. - La partecipazione attiva alle lezioni e alle esercitazioni. Le domande sono sempre benvenute. - I docenti sono sempre disponibili alla consulenza. I servizi di consulenza in ufficio e online (via email) sono un valido aiuto alla preparazione dell’esame.

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Come studiare Il lavoro di comprensione è basilare in questo corso mentre quello di memorizzazione è abbastanza limitato, soprattutto nella prima parte (teoria dei circuiti). L’esperienza insegna che sono necessari: - Lo studio personale tra una lezione e l’altra, o al massimo entro due lezioni. Chi trascura questa pratica riduce drasticamente la possibilità di superare l’esame in tempi brevi. - La partecipazione attiva alle lezioni e alle esercitazioni. Le domande sono sempre benvenute. Poiché il testo consigliato consente anche l’autoapprendimento, un’ora di studio personale a casa può essere più proficua di un’ora trascorsa distrattamente in aula. - I docenti sono sempre disponibili alla consulenza. I servizi di consulenza in ufficio e online (via email) sono un valido aiuto alla preparazione dell’esame.

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Lezioni in aula (60 h) Esercizi di calcolo e applicazione degli argomenti trattati nelle lezioni (12 h) Esperienze di laboratorio (8h).

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Lectures. Exercises on the topics covered in the lectures. Laboratory experiences (optional).

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1) F. Piglione, G. Chicco, Sistemi Elettrici Industriali – Parte I – Teoria ed esercizi, Politeko, Torino 2) F. Piglione, G. Chicco, Sistemi Elettrici Industriali – Parte II – Teoria ed esercizi, Politeko, Torino 3) Materiale scaricabile dal portale della didattica Per approfondimenti: 1) G. Conte, Manuale di impianti elettrici, Hoepli, Milano, 2020. 2) F.M. Gatta, Impianti elettrici (Vol. I), Società Editrice Esculapio, 2020.

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- F. Piglione, G. Chicco, Sistemi Elettrici Industriali (I and II part), Politeko, Torino - G. Conte, Impianti elettrici, Hoepli, Milano - V. Cataliotti, Impianti elettrici, Vol. III, Flaccovio, Palermo. - references available at the website www.elektro.it

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

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L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) tramite una prova scritta in aula che comprende esercizi e domande di teoria (a risposta aperta o chiusa) e verte su tutto il programma dell'insegnamento. Il tempo a disposizione è due ore. E' necessario presentarsi allo scritto muniti di un documento di riconoscimento. Durante la prova non è ammessa la consultazione di libri o appunti, salvo il formulario scaricabile dal portale della didattica. Chi contravviene a questa norma oppure è sorpreso a copiare è automaticamente respinto. Non è ammesso l’uso di smartphone, notebook o similari, mentre è necessaria una calcolatrice non programmabile. Durante la prova non è consentito uscire dall’aula. L’esito della prova scritta può essere registrato come voto finale dell’esame. In alternativa alla registrazione diretta, chi ha ottenuto almeno 26/30 nella prova scritta può accedere a una prova orale integrativa. La prova orale verte sullo stesso programma di quella scritta e può includere esercizi e domande di teoria.

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Exam: Written test; Optional oral exam;

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How to study The work of understanding is fundamental in this course while the memorization work is quite limited, especially in the first part (circuit theory). Experience shows that it is necessary: - Personal study between one lesson and another, or at most within two lessons. Those who neglect this practice drastically reduce the possibility of passing the exam quickly. - Active participation in lectures and exercises. Questions are always welcome. Because the recommended text also allows self-learning, an hour of personal study at home can be more profitable than an hour spent absent-mindedly in the classroom. - Teachers are always available for advice. Consulting services in the office and online (via email) are a valid help to prepare the exam. Examination modalities Closed-book written test, composed by numerical problems and theory questions. The grade of the written test is the final grade of the exam. An optional oral test is available for those that obtain at least 24/30 in the written test. The oral test focuses on the same program as the written one. The written test, lasting two hours, takes place on the exam date. During the test, it is not allowed to consult books or notes, except for the formulary that can be downloaded from the course website. Anyone who contravenes this rule or is surprised to copy is automatically rejected. It is not allowed to use smartphones, notebooks or similar, while a calculator is required. During the test it is not allowed to leave the classroom.

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Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

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L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) tramite una prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus). La prova comprende esercizi e domande di teoria e verte su tutto il programma dell’insegnamento. Il tempo a disposizione è due ore. L’esito della prova è registrato come voto finale dell’esame. Non è previsto un orale integrativo. Durante la prova non è ammessa la consultazione di libri o appunti, salvo il formulario scaricabile dal portale della didattica. Chi contravviene a questa norma oppure è sorpreso a comunicare con altre persone è automaticamente respinto. Non è ammesso l’uso di smartphone, notebook o similari, mentre è necessaria una calcolatrice non programmabile. L’accesso alla prova scritta richiede un documento di riconoscimento.

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Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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Written exams with open or closed answers via PC by using the Polito exam platform integrated with proctoring tools (Respondus). The test includes exercises and theory questions on the whole course program. The time available is two hours. The grade of the written test is the final grade of the exam. There is no supplementary oral exam. During the test, it is not allowed to consult books or notes, except for the formulary that can be downloaded from the course website. Anyone who contravenes this rule or is surprised to communicate with other people is automatically rejected. It is not allowed to use smartphones, notebooks or similar, while a calculator is required. An identification document is required.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Sistemi elettrici industriali

L'esame finale mira a verificare l'acquisizione delle conoscenze e delle capacità obiettivo dell'insegnamento (descritte nel campo Risultati di apprendimento attesi) tramite una prova scritta. Modalità prova scritta in presenza. Prova scritta in aula. La prova comprende esercizi e domande di teoria (a risposta aperta o chiusa) e verte su tutto il programma dell'insegnamento. Il tempo a disposizione è due ore. E' necessario presentarsi allo scritto muniti di un documento di riconoscimento. Durante la prova non è ammessa la consultazione di libri o appunti, salvo il formulario scaricabile dal portale della didattica. Chi contravviene a questa norma oppure è sorpreso a copiare è automaticamente respinto. Non è ammesso l’uso di smartphone, notebook o similari, mentre è necessaria una calcolatrice non programmabile. Durante la prova non è consentito uscire dall’aula. L’esito della prova scritta può essere registrato come voto finale dell’esame. In alternativa alla registrazione diretta, chi ha ottenuto almeno 26/30 nella prova scritta può accedere a una prova orale integrativa. La prova orale verte sullo stesso programma di quella scritta e può includere esercizi e domande di teoria. Modalità prova scritta in remoto. Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus). La prova comprende esercizi e domande di teoria e verte su tutto il programma dell’insegnamento. Il tempo a disposizione è due ore. L’esito della prova è registrato come voto finale dell’esame. Non è previsto un orale integrativo. Durante la prova non è ammessa la consultazione di libri o appunti, salvo il formulario scaricabile dal portale della didattica. Chi contravviene a questa norma oppure è sorpreso a comunicare con altre persone è automaticamente respinto. Non è ammesso l’uso di smartphone, notebook o similari, mentre è necessaria una calcolatrice non programmabile. L’accesso alla prova scritta richiede un documento di riconoscimento.

Sistemi elettrici industriali

Exam: Written test; Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

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Written exam in the classroom. Closed-book written test, composed by numerical problems and theory questions. The grade of the written test is the final grade of the exam. An optional oral test is available for those that obtain at least 26/30 in the written test. The oral test focuses on the same program as the written one. The time available is two hours. An identification document is required. During the test, it is not allowed to consult books or notes, except for the formulary that can be downloaded from the course website. Anyone who contravenes this rule or is surprised to copy is automatically rejected. It is not allowed to use smartphones, notebooks or similar, while a calculator is required. During the test it is not allowed to leave the classroom. Remote written exam. Written exams with open or closed answers via PC by using the Polito exam platform integrated with proctoring tools (Respondus). The test includes exercises and theory questions on the whole course program. The time available is two hours. The grade of the written test is the final grade of the exam. There is no supplementary oral exam. During the test, it is not allowed to consult books or notes, except for the formulary that can be downloaded from the course website. Anyone who contravenes this rule or is surprised to communicate with other people is automatically rejected. It is not allowed to use smartphones, notebooks or similar, while a calculator is required. An identification document is required.

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