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PORTALE DELLA DIDATTICA

Macchine elettriche

16BNMLX

A.A. 2019/20

2018/19

Macchine elettriche

Il corso tratta le principali caratteristiche delle macchine elettriche più comunemente adottate per la generazione, il trasporto/distribuzione e l'uso finale dell’energia elettrica: trasformatore, macchina in C.C., macchine in C.A. a campo rotante. La prima parte dell'insegnamento affronta i fondamenti teorici dell'elettromagnetismo, con specifico riferimento alla loro applicazione nelle conversioni energetiche. Successivamente, a partire dalla descrizione della struttura e del principio di funzionamento delle macchine elettriche trattate, ne vengono dedotti i modelli energetici a parametri concentrati (circuiti equivalenti) mediante i quali sono ricavate le principali caratteristiche di funzionamento. Vengono infine descritti i principali aspetti applicativi.

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This course will present the main features of the most commonly used machines (based on ‘iron and copper’) in electro-energy conversion: transformers, D.C. machines, rotating field A.C. machines. The electromagnetism laws are presented, then all these devices will be analysed through the synthesis of equivalent electric circuits. Their main characteristics, both as generator and motor, will be deduced and discussed. Further considerations on their typical applications will be provided too.

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L’obiettivo del corso è fornire la conoscenza di base delle diverse strutture e dei principali metodi di studio delle macchine elettriche. Gli studenti sono posti in grado di affrontare i problemi connessi all’impiego di trasformatori, motori e generatori elettrici e di stimare le condizioni limite per la loro alimentazione e per il loro sfruttamento. L'insegnamento è propedeutico alla progettazione delle macchine trattate.

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The objective of the course is to provide a basic knowledge the electro-mechanical conversion and the main methods used in the study of electrical machinery. Students should be able, also through mathematical instruments, to evaluate problems related to the use of electric transformers, motors and generators and to correctly estimate the supply and load limit conditions. The course is preparatory to the machines design.

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Le precedenze raccomandate includono gli strumenti di analisi dei circuiti elettrici in corrente continua e in corrente alternata con particolare riferimento ai sistemi trifase.

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The recommended curriculum includes the knowledge of DC and AC circuit theory, with particular attention to the three-phase systems.

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Fondamenti di elettromagnetismo • Richiami di campi elettromagnetici: equazioni di Maxwell. • Campo di corrente e campo elettrostatico. • Campo magnetico e fenomeni elettromagnetici. • Circuiti magnetici. • Circuiti accoppiati. Correnti indotte ed effetto pelle. • Leggi fondamentali della conversione elettromeccanica. Aspetti generali • Materiali per le macchine elettriche. • Aspetti termici. Trasformatore • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Teoria semplificata del trasformatore monofase. Circuito equivalente. Dati di targa. • Diagrammi vettoriali. Caduta di tensione. • Teoria semplificata del trasformatore trifase. Collegamento degli avvolgimenti. Gruppi. • Circuiti equivalenti per carico equilibrato e squilibrato. Reattanza omopolare. • Perdite e rendimento. • Potenza di dimensionamento. Considerazioni di scala. Collegamento ad auto-trasformatore. • Funzionamento in parallelo. • Misure sui trasformatori. • Condizioni particolari di funzionamento. Correnti d’inserzione. Sforzi di corto circuito. Sovratensioni. Macchina in corrente continua • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Macchina a eccitazione separata. Macchina a eccitazione serie. Motore a magneti permanenti. • Caratteristiche elettromeccaniche e regolazioni. Quadranti di funzionamento. • Comportamento dinamico del motore in corrente continua. • Reazione d’indotto. Saturazione magnetica e impatto sul comportamento della macchina. • Perdite e rendimento. • Commutazione. • Applicazioni come motore e dati di targa. Campo magnetico rotante • Avvolgimenti in corrente alternata. Distribuzione di forza magnetomotrice al traferro. Armoniche spaziali. • Campo magnetico e fattore di Carter. • Rappresentazione vettoriale del campo rotante. • Flussi concatenati e forze elettromotrici indotte. Macchina asincrona • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Circuito equivalente e diagramma vettoriale. • Bilancio energetico. Il concetto di potenza trasmessa. Macchine a semplice o doppia alimentazione. • Caratteristiche elettromeccaniche coppia, corrente. Influenza delle variazioni parametriche. • Diagramma circolare. • Operazioni tipiche: avviamento, frenatura; regolazione della frequenza di alimentazione. Regolazioni rotoriche. • Misure, rendimento e dati di targa . • Motori di potenza frazionaria. Motori monofase. Macchina sincrona • Principio di funzionamento e aspetti costruttivi. • Struttura isotropa e anisotropa. Teoria degli assi d,q. • Circuiti equivalenti di Behn-Eschenburg e Potier. Equazioni elettriche e reattanza sincrona. • Diagrammi vettoriali. Effetti della saturazione magnetica. • Bilancio energetico e coppia. • Funzionamento come generatore in parallelo alla rete. Regolazione della potenza attiva e reattiva. Stabilità statica e dinamica. Diagramma circolare e dati di targa. • Generatore autonomo. Esempi applicativi • Motori a magneti permanenti e a riluttanza. Metodi di comando • Prove e misure. .

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Electromagnetism Fundamentals • Electromagnetic fields: Maxwell laws. • Current field and electrostatic field. • Magnetic field. • Magnetic circuits. • Magnetically coupled circuits. Induced currents and skin effect. General Aspects • Materials for electric machines. • Thermal aspects. Transformer • Basic operating principles. Construction aspects. • Simplified theory of single-phase transformers. Equivalent circuit. Name plate values. • Vector diagrams. Voltage drop. • Simplified theory of three-phase transformers; winding connections; groups of three-phase transformers. • Equivalent circuit for balanced load. Equivalent circuit with unbalanced loads. Homopolar impedance. • Losses and efficiency. • Sizing power of a transformer. Scale considerations. Auto-transformer connection. • Parallel operations. • Tests and measurements. • Particular operating conditions: Inrush currents. Short circuit stresses. Over-voltage surges. D.C. machine • Basic operating principles. Construction aspects. • Separately excited machine. Series excited machine. Permanent magnet motors. • Electromechanical features and regulations. Operative quadrants. • Dynamic behaviour of DC motor. • Armature reaction. Nonlinear magnetic phenomena and their impact on the D.C. machine behaviour. • Losses and efficiency. • Commutation. • DC motor applications and name plate values. Rotating Fields • A.C. windings. Air-gap m.m.f. distributions. Harmonic contents. • Magnetic field and Carter factor. • Vector representation of rotating fields. • Linked fluxes and induced e.m.f.. Asynchronous Machine • Basic operating principles and constructive aspects. • Asynchronous machine equivalent circuit. Vector diagram. • Energy balance discussion. The concept of transmitted power. Single and double fed machines. • Main electromechanical features; torque and current characteristics; influence of parametric variations. • Circular diagram. • Typical operations; starting and braking; stator frequency regulation. Rotor regulations. • Tests and measurements. Efficiency evaluations. Name plate values. • Fractional horsepower motors. Single-phase motors. Synchronous machine • Basic operating principles and constructive aspects. • Isotropic and anisotropic machine; d-q axes theory. • Behn-Eschenburg and Potier equivalent circuits. Electrical equations. Synchronous reactance. • Vector diagrams. Effects of magnetic nonlinearities. • Energy balance and torque. • Main-connected generator. Active and reactive power regulation. Static and dynamic stability. Circular diagram and name plate values. • Self-standing generator. Application examples. • P.M and reluctance motors. Drive methods. • Measurements and testing.

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L’insegnamento si articola in lezioni ed esercitazioni in aula; le esercitazioni riguardano calcoli di funzionamento e prestazioni delle macchine elettriche trattate. Sono inoltre previste cinque esercitazioni presso il laboratorio di Macchine Elettriche del Dipartimento Energia per la sperimentazione pratica dei principali fenomeni presentati nel corso delle lezioni.

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The teaching is organized in lessons and classroom exercises. The exercises consist in performance computations of the electrical machines presented in the course. Furthermore five experimental exercises in the Electrical Machines Laboratory of the Electric Engineering Department are also provided, in order achieve a direct experience of the main phenomenon presented in the theoretical lessons.

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Il materiale didattico impiegato durante le lezioni ed esercitazioni è reso disponibile agli studenti sul portale della didattica. Per approfondimenti: • Elettrotecnica. Elementi di teoria ed esercizi, M. Repetto, S. Leva, CittàStudi, 2018. • Macchine Elettriche, A.E. Fitzgerald, C. jr.Kingsley, A. Kusko, Franco Angeli 2013. • Macchine Elettriche, L. Ferraris, CLUT 2004. • Esercizi di Macchine Elettriche, R. Bojoi, L. Ferraris, CLUT 2012. • Materiali e Macchine Elettriche, E. Carminati, Esculapio 1994.

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The teaching material used during lessons and classroom exercises will be available on the website. For in-depth analisys: • Elettrotecnica. Elementi di teoria ed esercizi, M. Repetto, S. Leva, CittàStudi, 2018. • Electric Machines, A.E. Fitzgerald, C. jr.Kingsley, S.D. Umans, McGraw-Hill 2002. • Electric Machines Fundamentals, S. Chapman, McGraw-Hill 2005. • Esercizi di Macchine Elettriche, R. Bojoi, L. Ferraris, CLUT 2012.

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

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L'esame consiste di due prove • la prima prova è scritta e consiste nella risoluzione di due o tre esercizi (tempo a disposizione 2 ore); è ammesso l’uso di calcolatrice e formulario; non sono ammessi testi o appunti. • la seconda prova è orale e consiste in due o tre domande sull'intero programma svolto. Accedono alla prova orale candidati che hanno superato la prova scritta con un punteggio di almeno 16/30. La prova scritta mira a valutare la capacità del candidato nello sviluppare autonomamente calcoli, di complessità confrontabile a quanto svolto nelle esercitazioni in aula, sul funzionamento delle macchine elettriche trattate. La prova orale mira a valutare le conoscenze acquisite dal candidato sulla struttura, il principio di funzionamento e i principali metodi di studio delle macchine elettriche. In particolare, in sede di prova orale sono valutate la comprensione degli argomenti trattati e la capacità di esposizione con terminologia appropriata e rappresentazioni grafiche essenziali.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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The examination consists of two parts: • the written test that consists of the resolution of two or three numerical exercises (2 hours); calculator and formulary admitted. • the oral test that consists of two or three questions dealing with all the contents of the course. The candidates must pass the written test to be admitted to the oral test. The written test aims for the evaluation of the candidate capability in autonomous development of computations about the electric machines operation (similar complexity with those developed in classroom exercises). The oral test aims for the evaluation of the knowledge acquired by the candidate about structures, working principles and methods for the electric machines study and analysis. In particular, the oral test aims at the evaluation of the comprehension of the topics and the capability to present the topics with appropriate terminology and basic graphics.

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