Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Elettrotecnica/Macchine elettriche

17AULMK, 17AULLS

A.A. 2018/19

2018/19

Elettrotecnica/Macchine elettriche (Elettrotecnica)

L'insegnamento, suddiviso in due moduli ha lo scopo di fornire: * i principali concetti dell'analisi circuitale dei fenomeni elettrici e magnetici con particolare attenzione agli aspetti della corrente continua e della corrente alternata a frequenza industriale; * le basi metodologiche per analizzare il funzionamento ed i principali concetti operativi delle macchine elettriche e per un utilizzo razionale, corretto e sicuro delle apparecchiature elettriche; * gli strumenti per valutare le prestazioni delle principali macchine elettriche, in vista della loro applicazione nei processi industriali.

Elettrotecnica/Macchine elettriche (Macchine elettriche)

Elettrotecnica Il corso si propone di introdurre i principali concetti dell’analisi circuitale dei fenomeni elettrici e magnetici, con particolare attenzione agli aspetti della corrente continua e della bassa frequenza. Nella prima parte saranno fornite le basi metodologiche per comprendere i principi di funzionamento ed i principali concetti operativi delle apparecchiature elettromeccaniche ed in generale per un utilizzo razionale, corretto e sicuro delle apparecchiature elettriche. Macchine Elettriche Il corso ha lo scopo di fornire agli studenti gli strumenti per valutare le prestazioni delle principali macchine elettriche, in vista della loro applicazione nei processi industriali. In particolare, si intende mettere in condizione lo studente di comprendere i principi di funzionamento e di poter trattare, dal punto di vista dell'utilizzatore, le macchine elettriche.

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The course, divided into two parts, aims to provide: * The main concepts about analysis of electrical and magnetic circuit with particular attention to aspects of DC and AC (industrial frequency); * Methodological bases for analyzing the operating principles and key operational concepts of electromechanical equipment and in general a rational, proper and safe use of electrical equipment; * The operating principles and tools to evaluate the performance of the main electrical machinery, in view of their applications in industrial processes

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Elettrotecnica The course aims to introduce the main concepts of the analysis circuit of the electric and magnetic phenomena, with particular attention to aspects of DC and low frequency. In the first part will be given the methodological bases for understanding the working principles and key operational concepts of electromechanical equipment and in general a rational, proper and safe operation of electrical equipment. Macchine Elettriche The course aims to provide students with the tools to evaluate the performance of the main electrical machinery, in view of their application in industrial processes. In particular, it intends to condition the student to understand the principles of operation and can be treated, from the user point of view, the electric machines.

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* Conoscenza dei principi e teoremi necessari per effettuare analisi circuitali nel campo dell'elettrotecnica. * Capacità di risolvere i problemi dei circuiti elettrici operanti in regime stazionario, * Conoscenza dei criteri di utilizzo e dei campi di applicazione delle principali macchine elettriche. * Conoscenza dei principi di funzionamento delle principali macchine elettriche utilizzate in campo industriale * Capacità di analizzare e valutare le prestazioni delle macchine elettriche * Capacità di effettuare la scelta delle opportune macchine elettriche da inserire in sistemi meccanici.

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Padroneggiare i principali concetti dell’analisi circuitale, capacità di eseguire valutazioni quantitative su semplici circuiti di elettrotecnica industriale, comprendere i criteri di utilizzo e i principali campi di applicazione delle macchine elettriche nonché saper affrontare semplici esercizi numerici sulle principali tipologie di macchine elettriche.

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* Knowledge of methods to perform circuit analysis in electrical engineering. * Ability to analyze electrical circuits operating under steady currents * Knowledge of criteria for use and application fields of the electrical machinery. * Knowledge of the principles of main electro-mechanical equipment and electrical machinery used in industrial * Ability to analyze and evaluate the performance of electric machines * Ability to make the choice of the appropriate electrical equipment to be included in mechanical systems.

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Master the key concepts circuit analysis, quantitative assessments of ability to perform simple electrical circuits industry, understand usage patterns and the main fields of application of electrical machinery and know how to cope with simple numerical exercises on the main types of electric machines.

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Conoscenza dell’algebra lineare, delle equazioni differenziali ordinarie, dei numeri complessi. Concetti di base di elettromagnetismo con particolare riferimento al campo elettrostatico, al campo di corrente, al campo magnetostatico ed ai campi lentamente variabili.

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Il corso considera come acquisiti i concetti di equazioni differenziali ordinarie, numeri complessi ed i concetti di base di elettromagnetismo.

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Knowledge of linear algebra, knowledge of ordinary differential equations, complex numbers and basic concepts of electromagnetism with focus on static electric field, current field, steady electric current fields, magnetostatic fields and low frequency fields.

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The course considers the concepts acquired in ordinary differential equations, complex numbers and the basic concepts of electromagnetism.

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ELETTROTECNICA -------------------------------------------- * Circuiti in corrente continua -------------------------------------------- - Le grandezze elettriche fondamentali: tensione e corrente - Leggi di Kirchhoff delle tensioni e delle correnti - Convenzione dei generatori e degli utilizzatori e definizione di potenza - Bipoli ideali adinamici: resistore, generatore ideale di tensione e di corrente - Soluzione di circuiti adinamici (corrente continua) mediante la scrittura delle equazioni costitutive - e delle leggi di Kirchhoff - Generatore reale (nella forma in tensione ed in corrente) - Circuiti in regine adinamico ad un solo generatore - Partitore di tensione e di corrente - Bipoli in serie ed in parallelo - Collegamento a stella ed a triangolo - Teoremi per la soluzione dei circuiti: metodo della sovrapposizione degli effetti, teorema di Millman, teorema di Thevenin e di Norton -------------------------------------------- * Transitori -------------------------------------------- - Bipoli dinamici: condensatore ed induttore - Carica e scarica di induttore e condensatore - Soluzione di circuiti con bipoli dinamici: transitori del primo ordine -------------------------------------------- * Regime sinousidale -------------------------------------------- - La corrente alternata sinusoidale. - Le grandezze caratteristiche di una sinusoide - Il metodo fasoriale (ripasso sui numeri complessi) - Diagramma fasoriale - Equazione costitutiva dei bipoli dinamici ed adinamici in regime sinusoidale: concetto di impedenza - Connessioni serie e parallelo di impedenze - Teoremi di soluzione dei circuiti in regime sinusoidale - La potenza in corrente alternata: potenza attiva, reattiva ed apparente - Il teorema di Boucherot (metodo delle potenze) - Soluzione di circuiti in corrente alternata e rifasamento -------------------------------------------- * Sistemi trifase -------------------------------------------- - Generatori e carichi trifase - Grandezze di linea e di fase - Sistema simmetrico ed equilibrato - Sistemi con e senza filo di neutro - Potenze nei sistemi trifase: inserzione Aron - Soluzione di reti trifase simmetriche ed equilibrate: - Monofase equivalente - Metodo delle potenze - Rifasamento - Cenni di soluzione di sistemi dissimmetrici e squilibrati. -------------------------------------------- * Comportamento in frequenza -------------------------------------------- - generatori non isofrequanziali - filtro passa basso - filtro passa alto - risonanza serie - risonanza parallelo MACCHINE ELETTRICHE - Introduzione alle macchine elettriche: principi delle conversioni elettromeccaniche dell’energia. - Richiami di elettromagnetismo: legge di circuitazione, legge di Gauss, leggi di Lenz e di Faraday-Henry, leggi di Lorentz; proprietà magnetiche dei materiali; ferromagnetismo; isteresi magnetica; correnti parassite; energia associata ai campi magnetici; perdite di energia/potenza nei materiali ferromagnetici. - Materiali per l’elettrotecnica: materiali conduttori e resistività dei materiali; materiali isolanti e rigidità dielettrica; effetto pelle; perdite di potenza per effetto Joule. - Circuiti magnetici: legge di Hopkinson, riluttanza magnetica; circuito elettrico equivalente del circuito magnetico; circuiti magnetici con magneti permanenti; induzione elettromagnetica: autoinduttanza, mutua induttanza; energia nei circuiti magnetici. - Modello termico delle macchine: equazione di trasmissione del calore; circuito elettrico equivalente del modello termico; definizioni dei tipi di servizio delle macchine elettriche. - Macchina elettrica a corrente continua: cenni costruttivi, principio di funzionamento, collettore e spazzole, equazioni di macchina, eccitazione indipendente e serie, caratteristiche meccaniche, regolazione a flusso costante e a tensione costante. - Trasformatore monofase: trasformatore ideale e circuito equivalente del trasformatore reale, targa dei trasformatori e prove di caratterizzazione, calcolo dei parametri del circuito equivalente, parallelo di trasformatori. - Trasformatore trifase: circuito equivalente e prove di caratterizzazione, funzionamento in parallelo di trasformatori trifase, gruppo orario. - Motore ad induzione: campo magnetico rotante, cenni costruttivi e principio di funzionamento, circuito elettrico equivalente, prove di caratterizzazione, caratteristica meccanica, regolazione di velocità e di coppia

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Elettrotecnica 1. Analisi circuitale dei fenomeni elettromagnetici: circuiti elettrici come modello di fenomeni fisici, il concetto di bipolo, le grandezze elettriche: tensione, corrente e potenza, unità e strumenti di misura, cenni alla topologia dei circuiti, leggi di Kirchhoff, ipotesi fondamentali del modello circuitale. 2. Circuiti adinamici: equazioni costitutive di resistore ideale, generatori di tensione e di corrente ideali, corto circuito e circuito aperto, collegamento in serie ed in parallelo di bipoli, caso particolare di serie e parallelo di resistori; partitore di tensione e di corrente, trasformazioni stella-¬triangolo e vv., componenti non ideali. Potenza ed energia nei circuiti. 3. Metodi per la soluzione di circuiti adinamici generici: metodo algebrico per la soluzione di circuiti adinamici. Teoremi di rete (teorema di sovrapposizione, circ. equivalente di Thevenin e Norton, Millmann, teorema di Tellegen) 4. Componenti e circuiti dinamici elementari: componenti dinamici: condensatore, induttore, induttori accoppiati e trasformatore ideale. Variabili di stato. Transitori nei circuiti RC e RL del primo ordine. Concetto di transitorio e regime nelle reti lineari 5. Circuiti in regime sinusoidale: metodo simbolico e fasori, leggi di Kirchhoff ed equazioni costitutive nel dominio della frequenza, impedenza e ammettenza dei bipoli. Potenza in regime sinusoidale, potenza attiva, reattiva e complessa. Teorema di Boucherot per le potenze, rifasamento. 6. Circuiti trifase: definizioni, generatori e carichi trifase, collegamenti a stella e triangolo, metodi di soluzione di circuiti trifase simmetrici ed equilibrati. Potenza nei circuiti trifase e sua misura. 7. Cenni di sicurezza elettrica: sovracorrenti negli impianti, sovraccarico, corto circuito, interruttore magnetico e termico, sicurezza elettrica delle persone, effetti della corrente elettrica sulle persone, interruttore differenziale. Macchine Elettriche 8. Introduzione alla conversione elettromeccanica dell’energia. Materiali magnetici: classificazione, fenomeno della non linearità e dell’isteresi magnetica. Richiami di elettromagnetismo: campo magnetico stazionario o lentamente variabile, circuiti magnetici, concetto di riluttanza, di induttanza, e di mutua induttanza, energia nei circuiti magnetici, Forze elettromotrici trasformatoriche e mozionali, perdite nel ferro. Classificazione delle macchine elettriche. Targa delle macchine elettriche e influenza delle dimensioni sulle prestazioni nominali. Riscaldamento delle macchine elettriche. 9. Trasformatore: aspetti costruttivi, trasformatore monofase ideale, principio di funzionamento e circuito equivalente del trasformatore reale, prova a vuoto ed in corto circuito, determinazione dei parametri di macchina, rendimento, caduta di tensione industriale, parallelo di trasformatori, autotrasformatore, trasformatore trifase, gruppo orario. 10. Motore ad induzione: aspetti costruttivi, principio del campo magnetico rotante di Galileo Ferraris, circuito equivalente, prove a vuoto ed in corto circuito, caratteristica meccanica, rotore avvolto e rotore a gabbia, regolazione di velocità, motore asincrono monofase. 11. Macchina elettrica a corrente continua: aspetti costruttivi, principio di funzionamento, equazioni della macchina, eccitazione indipendente, serie e derivata, rendimento, caratteristiche meccaniche, rendimento, regolazione di velocità e problemi di avviamento, cenni sulla commutazione e sulla reazione di indotto.

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BASIC CIRCUIT THEORY -------------------------------------------- * Direct current -------------------------------------------- - Fundamental quantities: voltage and current - Kicrchhoff’s Laws - passive and active sign convention - Ideal two-terminal components: resistor, voltage and current source - Solution of the fundamental problem of circuit theory - Real generators - DC circuits with single source - Voltage and current divider - Series and parallel connection - star and delta connection - network theorems: superposition principle, Millman’s theorem, Thevenin’s equivalent circuit , Norton’s equivalent circuit, maximum power transfer -------------------------------------------- * Transient analysis -------------------------------------------- - Dynamic two-terminals: capacitor and inductor - RC and RL circuits - Solution of first order circuits with constant inputs -------------------------------------------- * Sinusoidal steady-state -------------------------------------------- - sinusoidal waveforms - phasors concept and relation with sinusoidal waveforms (summary of complex number algebra) - phasor diagram - topological and constitutive equations in phasor domain. Impedance definition. - series and paralell connection of impedances - generalization of principles and theorems in phasor domain - power in sinusoidal steady-state: real, reactive, complex and apparent power - Boucherot’s therem - Solution of AC circuit and power factor correction -------------------------------------------- * Three-phase circuits -------------------------------------------- - Three-phase sources and loads - line and phase quantities - Three-phase symmetric and balanced system - three-wire and four-wire three-phase systems - power in three-phase system: Aron connection - single phase equivalent circuit - energy method for the solution of three-phase systems - power factor correction - solution of not balanced three-phase systems (introduction) -------------------------------------------- * Frequency response -------------------------------------------- - multi-frequency generators - low-pass filter - high-pass filter - series resonance - parallel resonance ELECTRICAL MACHINES • Introduction and review of physics of electro-mechanical conversion: Ampere law. Magnetic flux. Lenz and Lorentz laws. • Materials employed for electrical machines: Soft and hard magnetic materials. Iron losses. Conductors and insulators. • Magnetic circuits: Electromagnet, Reluctance, Magnetic Circuit Model, Permanent magnets, Circuits with permanent magnets. • Thermal modelling of electrical machines: First-order thermal model. Thermal transients. Types of services. • Single-phase transformer: Realization aspects. Ideal transformer: working principle. Real transformer. Equivalent circuit. Equivalent circuit under sinusoidal supply. Vector diagram. Parameters identification: no load and short circuit tests. Voltage drop. Efficiency. Transformers in parallel. • Three phase transformer. Single-phase equivalent circuit. Nameplate data. Type of connection and group of the transformer. • DC machine (8 h). Realization aspects. Rotor. Working principle. Torque and emf generation. Machine equations. Equivalent circuit. Separately excited machine. Mechanical characteristic. Speed regulation. Series excited machine. Mechanical characteristic. Commutation. • Asynchronous machine. Rotating magnetic field. Realization aspects. Wounded rotor and cage rotor. Operating principles and comparison with the three-phase transformer. Energetic balance. Mechanical characteristic. Determination of parameters. Losses and efficiency. Speed regulation

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Elettrotecnica 1. Circuit Analysis of electromagnetic phenomena: electrical circuits as a model of physical phenomena, the concept of port, the electrical voltage, current and power units and measuring instruments, brief to the topology of the circuits, Kirchhoff's laws, basic assumptions of the model circuit . 2. Adynamic Circuits: constitutive equations of an ideal resistor, voltage and current generators ideal, short circuit and open circuit, connected in series and parallel-ports, the special case of series and parallel resistors, voltage divider and current transformations stellatriangolo and vice versa., non-ideal components. Power and energy in the circuits. 3. Methods for the solution of adynamic generic circuits: algebraic method for solving circuits adynamic. Network theorems (superposition theorem, circ. Thevenin and Norton equivalent, Millmann, Tellegen's theorem) 4. Elementary components and dynamic circuits: dynamic components: capacitors, inductors, coupled inductors and ideal transformer. State variables. RC and RL transient circuits of the first order. Concept of transitional arrangements and in linear networks 5. Circuits in sinusoidal steady state: phasor method, symbolic, Kirchhoff's laws and constitutive equations in the frequency domain, impedance and admittance of the ports. Sinusoidal power, active power, reactive and complex. Boucherot theorem for power, power factor correction. 6. Three-phase system: three-phase system, definitions, generators and three phase loads, star and delta connections, methods of solution-phase circuits, symmetrical and balanced. Three-phase power circuits and its measure. 7. Introduction to Electrical Safety: Surge in plants, overload, short circuit and thermal magnetic circuit breaker, electrical safety of persons, the effects of electricity on people, GFCI. Macchine Elettriche 8. Introduction to the electromechanical energy conversion. Magnetic Materials: classification, the phenomenon of magnetic hysteresis and nonlinearity. Elements of electromagnetics: steady or slowly varying magnetic field, magnetic circuits, the concept of reluctance, inductance and mutual inductance, energy in magnetic circuits, electromotive force, iron losses. Heating of electrical machines. 9. DC electric machine: aspects of construction, operating principle, equations of the machine, excitation type: independent, series and shunt, performance, mechanical, performance, speed control and starting torque, and hints on switching on the armature reaction. 10. Transformer: construction aspects, an ideal single-phase transformer, principle of operation and equivalent circuit of the real transformer, load test and short circuit, determination of machine parameters, efficiency, voltage drop industrial parallel transformers, auto transformer, transformer phase. 11. Induction motor: construction aspects, the principle of rotating magnetic field of Galileo Ferraris, equivalent circuit, load tests and short circuit, mechanical characteristics, wound rotor and squirrel cage rotor, speed control, single-phase induction motor. 12. Synchronous machines: construction aspects, signs on the alternator connected to the network of dominant power, synchronous reactance. Types of synchronous motors.

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Elettrotecnica/Macchine elettriche (Elettrotecnica)

* Sono previste lezioni ed esercitazioni in aula con esercizi e calcoli esemplificativi sugli argomenti trattati a lezione. * Sono previste esercitazioni in laboratorio sia per elettrotecnica che per macchine elettriche. Il laboratorio sperimentale non è oggetto di valutazione e quindi non concorre al voto finale dell’esame.

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Sono previste esercitazioni guidate in aula su tutti i principali argomenti del corso, con particolare riferimento a: circuiti in corrente continua, soluzione di transitori del primo ordine, circuiti in regime sinusoidale, reti trifase, circuiti magnetici, trasformatore, macchina asincrona e macchina a corrente continua. Sono previste esercitazioni sperimentali in laboratorio.

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* lectures and practice lessons about numerical solution of exercise are planned for each main topic. * Lab. experiences are planned for both basic circuit theory and electrical machinery. Labs are not evaluated by teachers, hence they do not influence the final score of the exam

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Sono previste esercitazioni guidate in aula su tutti i principali argomenti del corso, con particolare riferimento a: circuiti in corrente continua, soluzione di transitori del primo ordine, circuiti in regime sinusoidale, reti trifase, circuiti magnetici, trasformatore, macchina asincrona e macchina a corrente continua. Sono previste esercitazioni sperimentali in laboratorio.

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Il materiale didattico di supporto varia a seconda del docente. Si faccia quindi riferimento al portale dell'insegnamento. In linea generale, sono disponibili gli appunti del corso e le videolezioni registrate negli anni precedenti.

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Si elencano nel seguito alcuni dei testi consigliati dai vari docenti dell’insegnamento. Per il dettaglio dei testi consigliati si faccia specifico riferimento al proprio docente e/o a quanto pubblicato sul Portale della didattica nell’apposita pagina dedicata all’insegnamento. - M. Repetto, S. Leva, Elettrotecnica. Elementi di teoria ed esercizi, (2014), Città Studi Edizioni, Torino - C.A. Desoer, E.S. Kuh, Fondamenti di teoria dei circuiti, Franco Angeli editore, Milano - G. Fabricatore, Elettrotecnica e applicazioni, Liguori, Napoli. - A. Canova, G. Gruosso, M. Repetto, Elettrotecnica: esercizi svolti, Progetto Leonardo, Esculapio, Bologna - Appunti delle lezioni di "Macchine Elettriche" (forniti dal docente) - L. Olivieri, E. Ravelli, Elettrotecnica per Elettrotecnica e Automazione, CEDAM Editrice, Padova - C. Carminati, Materiali e Macchine Elettriche, Esculapio Editrice, Bologna - M. Pezzi, Macchine Elettriche, Zanichelli Editore, Bologna - R. Bojoi, L. Ferraris, “Esercizi di Macchine Elettriche”, (2013) CLUT, Torino Per approfondimenti ed ulteriore consultazione: - L. Ferraris, Macchine Elettriche, Clut - A. Fitzgerald, C. Kingsley, A. Kusko, Macchine Elettriche, Franco Angeli Editore

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The learning resources can be different depending on the teacher. Please refer to the Portale della didattica website for details. Generally speaking, lecture notes of the course and the entire video-recorded course of past years are available.

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C.A. Desoer, E.S. Kuh, Fondamenti di teoria dei circuiti, Franco Angeli editore, MIlano A. Fitzgerald, C. Kingsley, A. Kusko, Macchine Elettriche, Franco Angeli Editore

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

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

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* L’esame prevede una prova scritta ed una orale. Entrambe obbligatorie. SCRITTO: * Lo scritto si compone di due esercizi di elettrotecnica e di due esercizi di macchine elettriche. * La durata della prova scritta è di almeno 2 ore, qualche minuto in più a seconda della disponibilità dell’aula. * E’ consentito l’utilizzo di una calcolatrice. * Quanto non espressamente consentito è da considerarsi vietato. * Il punteggio massimo della parte di elettrotecnica e di macchine elettriche è pari a 15 pt per ciascuna prova, per un totale di 30 pt. ORALE: * L’accesso alla prova orale è consentito a chi soddisfa entrambe le seguenti condizioni: - punteggio complessivo (elettrotecnica + macchine elt) maggiore o uguale a 15 pt - punteggio maggiore o uguale a 6 pt sia per la parte di elettrotecnica che di macchine elettriche * All’orale il candidato viene valutato da un solo membro della commissione e la durata media dell’orale è di 15 min. * Alla prova orale tutto il programma dell'insegnamento è oggetto di valutazione. * L’orale viene valutato in trentesimi, e fa media con il voto dello scritto. OBIETTIVI DELL'ESAME: * l'esame (scritto + orale) è finalizzato ad accertare il livello di apprendimento degli studenti con riferimento alle nozioni elencate nella sezione "risultati di apprendimento attesi".

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L’esame si articola in 2 prove, in giornate diverse: la prova scritta, costituita da 4 problemi numerici, 2 relativi all’Elettrotecnica e 2 relativi alle Macchine Elettriche, ed una prova orale obbligatoria per gli studenti che abbiano superato la prova scritta con un punteggio minimo di 16/30 equamente distribuito fra le due parti; la prova orale verterà sulla discussione di quanto svolto nella prova scritta e nell’approfondimento di aspetti teorici della materia.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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* The exam is made of two parts: a written and an oral exam. They are both mandatory. WRITTEN EXAM: * it includes two exercises of basic circuit theory and two exercises of electrical machinery * it lasts 2 hours at least. Some more time is provided according to the availability of the classroom. * A scientific calculator is allowed. * everything not explicitly allowed is to be considered forbidden * the maximum score of basic circuit theory and electrical machines is 15 pt for each part. The total maximum score is 30 pt. ORAL EXAM: * Students are allowed to sit the oral exam if the following conditions are satisfied: - total score (basic circuit theory + electrical machines) greater than or equal to 15 pt - score greater than or equal to 6pt for both basic circuit theory and electrical machines * Students are examined by one member of the commission only. The oral exam lasts, in average, 15 min. * All subjects in the program can be discussed at the oral exam * the maximum score is 30pt. The final score is the average between the score of the written exam and the score of the oral exam. PURPOSE OF THE EXAM: * the exam (written + oral) is organized to check the learning outcomes of the students with reference to the topics listed in the section "Expected Learning Outcomes".

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Written and oral examination

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