L'insegnamento presenta le principali caratteristiche delle macchine elettriche più comunemente adottate per la conversione dell’energia elettrica: trasformatore, macchina in C.C., macchine in C.A. a campo rotante). Queste macchine vengono analizzate attraverso la predisposizione di circuiti equivalenti. Vengono dedotte le loro principali caratteristiche, sia come motori che come generatori. Vengono infine descritti i principali impieghi.

L’obiettivo dell'insegnamento è fornire una conoscenza di base delle diverse strutture, e i principali metodi di studio delle macchine elettriche. Gli studenti sono posti in grado di valutare i problemi connessi con l’impiego di trasformatori, motori e generatori elettrici e di stimare le condizioni limite per la loro alimentazione e per il loro sfruttamento.

Le precedenze raccomandate includono le nozioni base di meccanica, teoria dei circuiti elettrici e dei campi elettromagnetici.

Richiami e aspetti generali
• Leggi fondamentali dell’elettromagnetismo.
• 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 (Motore a induzione con doppia alimentazione/Generatore a induzione con doppia alimentazione)
• Misure, rendimento e dati di targa .
• Motori di potenza frazionaria. Motori monofase. Motori a polo schermato.
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

L’insegnamento si articola in lezioni, esercitazioni in aula ed esercitazioni presso il laboratorio didattico-tecnologico del Dipartimento Energia:
- le esercitazioni in aula riguardano calcoli relativi al funzionamento delle macchine elettriche trattate;
le esercitazioni presso il laboratorio didattico-tecnologico consentiranno allo studente di effettuare prove sperimentali e misure sulle principali macchine presentate nel corso delle lezioni.

Il materiale didattico impiegato durante le lezioni ed esercitazioni sarà reso disponibile agli studenti sul portale della didattica.
Per approfondimenti:
• 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.

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.
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.