elettrotecnica e applicazioni

I.P.S.I.A. A.Volta GUSPINI
ANNO SCOLASTICO 2013-2014
PROGRAMMA DIDATTICO DELLA CLASSE V°A T.I.E.L.:
- ELETTROTECNICA E LABORATORIO DI ELETTROTECNICA
- SISTEMI, AUTOMAZIONE E ORGANIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE
PREMESSA, OBIETTIVI GENERALI E SPECIFICI
Alla base della programmazione didattica viene posto:
•
La necessità di svolgere quegli argomenti che consentano agli allievi di
raggiungere quegli obiettivi minimi che devono essere parte irrinunciabile del
bagaglio culturale che il tecnico delle industrie elettriche deve possedere.
•
La necessità che gli insegnanti del corso di studio Elettrico dedichino una
particolare attenzione allo sviluppo degli argomenti relativi ad altre discipline e che
in qualche modo possono essere ricondotti al profilo professionale. Allo scopo è
opportuno che nei programmi dei singoli docenti, sia dell’ambito tecnico-scientifico
che di quello linguistico-umanistico, venga riservato il dovuto spazio alla
trattazione ed all’approfondimento di quegli argomenti propedeutici e funzionali
alle discipline di indirizzo. Tutto ciò in perfetta sintonia con il profilo professionale
che prevede, appunto, la formazione di tecnici del settore elettrico, oltre che con le
aspettative degli stessi studenti.
Per conseguire tali obiettivi ci si ripropone di definire nei rispettivi consigli di classe
una programmazione disciplinare coordinata tra le diverse materie.
Per quanto riguarda il presente corso di Tecnico delle Industrie Elettriche, si
precisa che essi dovranno essere finalizzati a far acquisire agli allievi:
- un sicuro possesso dei fondamenti scientifici e tecnologici del settore elettrico;
- una buona conoscenza delle principali applicazioni tecnologiche, comprese quelle
più avanzate anche attraverso esempi concreti e pratici realizzati con una didattica
progettuale;
- la capacità di risolvere problemi di normale ricorrenza nel settore specifico,
utilizzando le tecniche di base.
- La capacità di adattamento alle innovazioni nel campo tecnico e scientifico mediante
sviluppo delle capacità logiche;
- la capacità di realizzare una corretta gestione della professione che si esplicita nelle
seguenti abilità:
•
Saper realizzare un lavoro di gruppo;
•
Saper concludere un compito ricevuto;
•
Saper produrre documentazione sul lavoro svolto;
•
Saper utilizzare e consultare cataloghi tecnici;
1
•
Saper valutare imprevisti e situazioni contingenti;
•
Saper responsabilmente assumere decisioni autonome nell’ambito del lavoro affidato.
Il Tecnico delle Industrie Elettriche, in aggiunta agli obiettivi generali
sopraindicati, dovrà essere in grado di:
•
Analizzare e identificare le problematiche connesse ai sistemi di distribuzione ed
utilizzazione in B.T.;
•
Conoscere le caratteristiche funzionali e di impiego delle principali macchine e
componenti elettrici; Conoscere le caratteristiche funzionali e di impiego dei
dispositivi elettronici di comando controllo e regolazione delle macchine elettriche;
•
Applicare dispositivi elettronici programmabili per la gestione di impianti elettrici sia
civili che industriali;
•
Saper dimensionare le principali installazioni elettriche ed elettroniche con
particolare riferimento alla scelta delle caratteristiche nominali dei componenti;
•
Conoscere le tecniche di interfacciamento e di elaborazione dei segnali forniti da
sensori e trasduttori;
•
Saper analizzare un problema di automazione attraverso i diversi linguaggi di
programmazione;
•
Saper utilizzare software applicativi per il disegno e la progettazione di impianti
elettrici.
Questi obiettivi sono ritenuti validi per la definizione del profilo professionale. Si
pensa comunque che, per ottenere questi traguardi sia necessario all’occorrenza
sfrondare di alcune parti i programmi contenuti nelle indicazioni ministeriali che sono
riportate nel fascicolo “Quadri orario e programmi delle aree di indirizzo” del MPI,
oramai obsolete ed aggiungerne altri di crescente interesse come ad esempio gli
impianti fotovoltaici ed eolici per la produzione di energia elettrica.
Programma di
ELETTROTECNICA E APPLICAZIONI
MODULO 1 : Ripasso delle reti in corrente alternata monofase e trifase (20 h );
CONTENUTI:
-
Risoluzione di circuiti e reti in corrente alternata (monofase e trifase) con carichi
equilibrati e squilibrati;
OBIETTIVI
-
Saper risolvere circuiti e reti in CA (monofase e trifase ) con carichi equilibrati e
squilibrati;
-
Saper misurare i parametri elettrici;.
-
Saper utilizzare metodi simbolici e software applicativi.
MODULO 2: Ripasso dei Sistemi elettrici e carichi convenzionali (10 h )
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CONTENUTI
-
Sistemi elettrici: classificazione e normativa;
-
Classificazione degli impianti in relazione all’ambiente: gradi di protezione degli
involucri;
-
Fattore di utilizzazione e di contemporaneità;
-
Carico convenzionale di impiego;
-
Esempi applicativi
OBIETTIVI
-
Saper identificare i sistemi elettrici ed i gradi di protezione degli involucri.
-
Saper calcolare il carico convenzionale di impiego.
MODULO 3: Ripasso e approfondimento delle Linee elettriche (30 h )
CONTENUTI
-
Tipi di linee e circuito equivalente: resistenza di linea, induttanza di servizio, capacità
per le linee BT. Circuito equivalente per linee BT;
-
Rendimento di una linea;
-
Caduta di tensione industriale;
-
Dimensionamento delle condutture col criterio della caduta di tensione industriale e
del rendimento;
-
Richiami sulle caratteristiche delle condutture elettriche: classificazione e struttura dei
cavi elettrici, sigle e designazione dei cavi, modalità di posa delle condutture (CEI 648) e portata dei cavi (tabelle Unel) e fattori di correzione;
-
Utilizzo del software tisystem per il dimensionamento delle condutture;
-
L’impianto elettrico in ambito industriale. Progettazione con disegno topografico e
schemi dei quadri elettrici di un impianto di distribuzione in una officina meccanica e/o
di carpenteria metallica.
OBIETTIVI
-
Saper calcolare i parametri delle linee BT
-
Saper eseguire il dimensionamento delle linee
-
Saper applicare le norme CEI applicabili alle linee
-
Saper utilizzare il software tisystem per il dimensionamento delle condutture
-
Redigere il disegno topografico e gli schemi dei quadri elettrici di un impianto di
distribuzione in una locale industriale.
MODULO 4 : Ripasso ed approfondimento della scurezza elettrica (20 h)
CONTENUTI
-
Limite di pericolosità della corrente elettrica. Resistenza del corpo umano. Limite di
pericolosità della tensione elettrica;
-
Tensioni di contatto a vuoto senza e con impianto di terra;
3
-
Classificazione degli impianti in base al collegamento a terra: TT, TN, IT;
-
Protezione dai contatti indiretti in un sistema TN e TT (CEI 64-8). Protezione mediante
interruzione automatica dell’alimentazione mediante interruttori automatici. Interruttore
differenziale e sue caratteristiche. Verifica della protezione dai contatti diretti con
protezione mediante I.D.;
-
Interruttori differenziali per uso civile e industriale: caratteristiche di intervento degli
interruttori e relativo campo di utilizzo;
-
Impianti di terra: conduttore di protezione, collegamenti equipotenziali principali e
secondari, conduttore di terra e dispersori. Calcolo della resistenza di terra di un
dispersore a picchetto, orizzontale, ad anello e a maglia.
OBIETTIVI
-
Saper individuare i pericoli delle corrente elettrica sull’uomo
-
Saper classificare gli impianti elettrici ed i relativi sistemi di protezione
-
Saper eseguire il la scelta delle protezioni per la sicurezza elettrica
-
Saper scegliere e dimensionare l’impianto di terra
MODULO 5 : Sovracorrenti e sistemi di protezione (30 h)
CONTENUTI
-
Correnti di sovraccarico e sollecitazioni termiche per sovraccarico;
-
Correnti di corto-circuito e sollecitazioni termiche per corto-circuito;
-
Dispositivi di protezione dal sovraccarico: fusibile e interruttore termico;
-
Dispositivi di protezione dal corto-circuito: interruttore magnetico;
-
Interruttori magneto-termici per uso civile e industriale: caratteristiche di intervento
degli interruttori tipo B, C e D e relativo campo di utilizzo. Esempi con particolare
attenzione alle problematiche nello spunto dei m.a.t..
-
Utilizzo del software tisystem per la scelta delle protezioni e nel progetto dei quadri
elettrici. Scelta delle carpenterie in relazione allo dissipazione termica.;
OBIETTIVI
-
Saper individuare i pericoli delle sovracorrenti
-
Saper eseguire il la scelta delle protezioni per le sovracorrenti
-
Saper utilizzare il software per la scelta delle protezioni dalle sovracorrenti
MODULO 6 : IL TRASFORMATORE MONOFASE E TRIFASE IDEALE E REALE A
VUOTO, A CARICO ED IN CORTO-CIRCUITO- CABINA ELETTRICA MT/BT(25h)
CONTENUTI
-
Principio di funzionamento del trasformatore monofase ideale;
-
Funzionamento a vuoto del trasformatore monofase ideale e reale;
4
-
Perdite nel ferro e corrente attiva;
-
Circuito magnetico e corrente magnetizzante;
-
Circuito equivalente a vuoto ;
-
Funzionamento del trasformatore monofase ideale e reale a carico;
-
Circuito equivalente riportato al primario e al secondario;
-
Funzionamento del trasformatore monofase in corto-circuito;
-
Caduta di tensione industriale nel trasformatore;
-
Bilancio energetico e rendimento del trasformatore
-
Circuito equivalente riportato al secondario
-
Cabina Elettrica MT/BT: caratteristiche elettriche delle apparecchiature presenti in
cabina e scelta delle apparecchiature.
MODULO 7 : ILLUMINOTECNICA (15 h)
CONTENUTI
-
La luce e sue caratteristiche fisiche;
-
Grandezze fotometriche principali: flusso luminoso,
luminosa, intensità luminosa;
-
Calcolo dell’illuminamento degli impianti interni col metodo del flusso totale;
-
Utilizzo del software Dlux per il calcolo illuminotecnico di interni;
-
Progetto illuminotecnico dei locali di una officina meccanica o altro locale simile.
illuminamento, efficienza
MODULO 8 : IMPIANTI FOTOVOLTAICI (25 h)
CONTENUTI
-
Caratteristiche della radiazione solare e irraggiamento medio su una superficie
orizzontale e inclinata;
-
Effetto fotovoltaico e la cella fotovoltaica;
-
Caratteristiche tensione corrente e parametri di un modulo fotovoltaico;
-
Caratteristiche degli impianti fotovoltaici stand alone e grid connected;
-
Progetto di un impianto fotovoltaico per una officina meccanica;
-
Produzione di energia e costi di un impianto fotovoltaico. Benefici ambientali;
-
Conto energia e normativa di riferimento per la realizzazione degli impianti fotovoltaici
MODULO 9 : VERIFICHE E COLLAUDI DEGLI IMPIANTI ELETTRICI (10 h)
CONTENUTI
-
Cosa sono le verifiche, chi deve eseguirle e quando;
-
Esame a vista e prove strumentali;
-
Prova di continuità dei conduttori di protezione e collegamenti equipotenziali;
5
-
Misure della resistenza di isolamento;
-
Misura della resistenza di terra col metodo vot-amperometrico e col Loop-Tester;
-
Prova degli interruttori differenziali.
MODULO 10 : MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI (25 h)
CONTENUTI
-
Caratteristiche elettriche e meccaniche dei motori asincroni: potenza assorbita,
velocità di sincronismo, scorrimento, caratteristica meccanica e cenni al circuito
equivalente;
-
Caratteristiche elettriche e meccaniche dei motori in c.c.: potenza assorbita, velocità e
caratteristica meccanica. Cenni alla variazione di velocità del motore in c.c..
OBIETTIVI:
-
Conoscere il funzionamento dei motori asincroni e dei motori in c.c. e le caratteristiche
tecniche, i circuiti di avviamento e le tecniche per il controllo della velocità nei motori
elettrici.
-
Saper scegliere il tipo di motore in funzione della specifica applicazione.
MODULO 11 : RADDRIZZATORI E INVERTER (5 h)
CONTENUTI
-
cenni al funzionamento dei raddrizzatori monofase a semplice e a doppia semionda;
-
cenni al funzionamento dei raddrizzatori trifase;
-
cenni al funzionamento degli inverter.
MODULO 12: Impianti elettrici in ambienti speciali e apparecchiature per
l’alimentazione di sicurezza (5 h );.
CONTENUTI:
-
Normativa e leggi vigenti. Impianti elettrici in ambienti speciali. Alimentazione delle
apparecchiature elettroniche ed informatiche. Gruppi di continuità. Gruppi elettrogeni.
Accumulatori di energia. Lampade ad alimentazione autonoma.
OBIETTIVI
-
Conoscere la normativa in tema di impianti elettrici in ambienti speciali.
-
Saper progettare, pianificare ed eseguire verifiche e collaudi di impianti elettrici per
l’alimentazione di sicurezza.
-
Conoscere le problematiche
elettroniche ed informatiche.
relative
all’alimentazione
delle
apparecchiature
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Programma di
SISTEMI, AUTOMAZIONE ED ORGANIZZAZIONE DELLA
PRODUZIONE
MODULO DIDATTICO n .1 : RICHIAMI
UNITA’ DIDATTICHE
1.1 RICHIAMO DEI PRINCIPALI SEGNI GRAFICI
1.2 RICHIAMO DEI PRINCIPALI COMPONENTI ELETTRICI ed ELETTRONICI.
Resistenze, induttanze, capacità. Regime stazionario e regime sinusoidale permanete.
Reattanze induttive e capacitive, concetto di risonanza serie e parallelo. Generatori di
corrente e di tensione
1.3 RICHIAMI SULLA RAPPRESENTAZIONE DI SCHEMI ELETTRICI. Componenti elettrici
in serie e in parallelo, lettura ed interpretazione di semplici schemi elettrici
1.4 RICHIAMI SUGLI SCHEMI A BLOCCHI. Concetto di ingresso e uscita di un sistema
lineare e tempo invariante. Concetto di disturbo.
1.5 REGOLE FONDAMENTALI DELL’ALGEBRA DEGLI SCHEMI A BLOCCHI. Blocchi in
serie e in parallelo, spostamento di nodi sommatori.
MODULO DIDATTICO n .2 : MODELLI DI SISTEMI
UNITA’ DIDATTICHE
2.1 TIPI DI MODELLI. Modellistica di un sistema termico, idraulico ed elettromeccanico.
Controllo di temperatura in una stanza.
2.3 GLI AUTOMI. Cenni a semplici esempi di automi a stati finiti. Sistemi sequenziali.
2.4 SEGNALI E SEGNALI CANONICI. Tipi di segnali. Segnale a gradino unitario, a rampa
e a parabola.
MODULO DIDATTICO n .3 : ANALISI DEI SISTEMI LINEARI TEMPO INVARIANTI
UNITA’ DIDATTICHE
3.1 RISPOSTA NEL DOMINIO DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA DEI SISTEMI
LINEARI E TEMPO INVARIANTI. Passaggio dal dominio del tempo a quello della
frequenza. Utilità dello studio in frequenza.
3.2 RICHIAMI SUI NUMERI COMPLESSI. Rappresentazione di un numero complesso in
forma polare e cartesiana. Passaggio dalla forma polare a quella cartesiana e viceversa
3.3 OPERAZIONI CON I NUMERI COMPLESSI. Somma, differenza, prodotto e quoziente
fra numeri complessi.
3.4 RAPPRESENTAZIONE DELLE GRANDEZZE ALTERNATE SINUSOIDALI
3.5 ANALISI IN FREQUENZA DI UN SISTEMA LINEARE TEMPO INVARIANTE.
Trasformata di Laplace. Antitrasformata di Laplace. Semplici regole di trasformazione ed
antitrasformazione
3.6 DEFINIZIONE DI FUNZIONE DI TRASFERIMENTO. Concetto di poli e zeri. Guadagno
statico.
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3.7 ESPRESSIONI TIPICHE DELLA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO
3.8 ORDINE DI UN SISTEMA.
3.9 ESEMPI DI CALCOLO DI FUNZIONI DI TRASFERIMENTO
3.10 I DIAGRAMMI DI BODE. Diagrammi di Bode di blocchi proporzionali, blocchi con un
polo, blocchi con uno zero, blocchi con poli complessi coniugati. Sistemi con diversi poli e
zeri.
3.11 RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DELLA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO.
Diagrammi di Bode di blocchi proporzionali, blocchi con un polo, blocchi con uno zero,
blocchi con poli complessi coniugati. Sistemi con diversi poli e zeri.
3.12 ESEMPIO APPLICATIVO DELLA COSTRUZIONE DI UN DIAGRAMMA DI BODE.
Utilizzo della scala semilogaritmica. Utilizzo del software Excel per rappresentare il
diagramma di Bode dei moduli e delle fasi
MODULO DIDATTICO n .4 : SISTEMI DI CONTROLLO RETROAZIONATI
UNITA’ DIDATTICHE
4.1 ESEMPI DI SISTEMI DI CONTROLLO. Tipici sistemi di controllo con rappresentazione
del legame ingresso uscita
4.2 SISTEMI DI CONTROLLO AD ANELLO APERTO E CHIUSO. Differenze sostanziali fra
sistemi ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso. Importanza della retroazione.
Retroazione positiva e negativa. I trasduttori. Influenza dei parametri dei componenti sul
sistema.
4.3 SCHEMA A BLOCCHI E FUNZIONI DI TRASFERIMENTO DI SISTEMI
4.4 ESEMPIO DI SISTEMA DI CONTROLLO RETROAZIONATO. Sistema di controllo del
livello di un serbatoio.
4.5 CARATTERISTICHE STATICHE E DINAMICHE DEI SISTEMI AD ANELLO CHIUSO.
Errore statico per sistemi di tipo zero, di tipo uno e di tipo 2. Effetti dovuti a disturbi additivi
applicato sulla linea di uscita
4.6 STABILITA’ DEI SISTEMI RETROAZIONATI. Prontezza e fedeltà di risposta. Criteri di
Bode per lo studio della stabilità di un sistema retro azionato. Concetti di margine di
guadagno e margine di fase. Reti correttrici. Rete anticipatrice, derivatrice e rete a sella
4.7 REGOLATORI INDUSTRIALI. Caratteristiche generali. Regolatore P, PI, PD, PID,
regolatori ON-OFF. Criteri di progetto
MODULO DIDATTICO n .5 : APPLICAZIONI DEI SISTEMI DI CONTROLLO
UNITA’ DIDATTICHE
5.1 CONTROLLO DI VELOCITA’ DI UN MOTORE IN CORRENTE CONTINUA. Schema a
blocchi. Trasduttori di velocità (dinamo tachimetrica ed encoder incrementale)
5.2 CONTROLLO DI POSIZIONE. Controllo di posizione di un motore in corrente continua.
Trasduttori di posizione (potenziometri, trasformatori differenziali, encoder)
5.3 CONTROLLO DI TEMPERATURA. Controllo di temperatura in un ambiente. Trasduttori
di temperatura (termocoppie, termistori, termoresistenze, trasduttori a semiconduttore,
trasduttori integrati)
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MODULO DIDATTICO n .6 : IL PLC
UNITA’ DIDATTICHE
6.1 IL PLC SIEMENS SIMATIC S7-200: CONFIGURAZIONE HARDWARE, UNITA’
CENTRALE E MODULI
6.2 OPERAZIONI DI CONTEGGIO E DI TEMPORIZZAZIONE
6.3 OPERAZIONI LOGICO BOOLEANE
6.4 ESERCITAZIONI. Avviamento di un motore asincrono trifase. Avviamento temporizzato
di un motore asincrono trifase. Simulazione di un nastro trasportatore con conta pezzi e
segnalazioni.
Tecniche didattiche
Considerato che la didattica modulare è solo una delle tante tecniche che può
funzionare in alcuni contesti d’apprendimento, si precisa che i docenti si devono
sentire comunque liberi di costruire con i propri alunni percorsi formativi diversi, di
predisporre forme di valutazione adeguate a quei percorsi che certamente tengono
conto
di
tutte
quelle
variabili
che
intervengono
nel
processo
d’insegnamento/apprendimento, che deve essere costantemente ricalibrato
dall’insegnante tenendo conto dei ritmi degli alunni e di altri fattori esterni.
In riferimento alla metodologia da adottare, si stabilisce che la metodologia sarà
basata su metodi di tipo induttivo con lezioni iniziali di tipo frontale cui seguiranno le
applicazioni mediante lavoro individuale o di gruppo. I sussidi utilizzati saranno
costituiti in generale da: libri di testo, eventuali dispense, software applicativi
didattici o professionali, strumentazione di laboratorio.
Si riporta ora un esempio di metodologia didattica da seguire.
• Presentazione degli argomenti chiave dell’unità didattica;
• Verifica delle modalità di esecuzione di una eventuale prova pratica;
• verifica finale;
• Osservazione sperimentale visiva del fenomeno elettrico-impiantistico
automazione considerato oggetto di studio e dimensionamento;
o
• Lezione teorica di approfondimento e studio del fenomeno in tutti i suoi aspetti,
con riguardo preminente all’aspetto impiantistico realizzativo.
Sistemi di verifica e criteri di valutazione da adottare
Le verifiche potranno consistere in prove di vario tipo in numero adeguato; scritte,
orali, grafiche o pratiche, senza escludere le prove strutturate, anche se queste
ultime non sempre possono considerarsi attendibili, poiché talvolta esse sono svolte
in maniera non strettamente individuale da parte degli allievi. Per quanto riguarda le
griglie di valutazione delle prove che verranno scelte volta per volta tra grafiche,
scritte, orali e pratiche.
I livelli di raggiungimento degli obiettivi volta per volta fissati dai docenti, e il voto ad
essi corrispondenti sono in linea di massima i seguenti:
9
Obiettivi
Conoscenza
Livelli
Voti
1- pressoché nulla
2-3
2- frammentaria e superficiale
4-5
3- completa ma non approfondita
6
4- completa e approfondita
7-8
5- completa, coordinata, assimilata
Comprensione
9-10
1- non ha compreso i concetti
2-3
2- ha compreso solo parzialmente i concetti
4-5
3- ha compreso i concetti ma è insicuro nell’espressione
6
4- ha compreso i concetti e li esprime con discreta sicurezza
7-8
5- ha compreso i concetti e li esprime con un buon grado di
9-10
sicurezza
Applicazione
1- non sa applicare principi, regole e procedure studiate
2-3
2- applica principi, regole e procedure in modo occasionale
4-5
3- sa applicare principi, regole e procedure autonomamente
6
4- sa applicare principi, regole e procedure autonomamente ma 7-8
conserva incertezze
5- sa applicare autonomamente principi, regole e procedure in 9-10
situazioni nuove
L’insegnante utilizzerà una metodologia di tipo sistematico induttivo-deduttivo,
curerà sia il lavoro individuale che quello di gruppo, lasciando ampio spazio alla
ricerca.
In riferimento ai tempi è prevista almeno una verifica al mese, in genere coincidente
con la fine di ogni modulo oppure in itinere nel caso in cui lo svolgimento del modulo
o unità didattica si protragga nel tempo.
Il docente ritiene necessario integrare le attrezzature e i materiali con:
-
Acquisto dei libri, riviste e CD specifici per il settore elettrico;
-
Abbonamento alle Norme C.E.I.
-
Richiedere, tramite l’Ufficio Tecnico, alle ditte produttrici di materiale elettrico, la
documentazione relativa ai loro prodotti, e mantenere con queste stretti contatti
per la fornitura di eventuali aggiornamenti.
È fondamentale che all’insegnate sia permesso accrescere la propria professionalità
specifica nel campo elettrico, consentendogli di poter partecipare ai convegni tecnici sul
campo impiantistico come al RIP Bticino e simili.
L’Insegnante
L’Insegnante T.P.
Prof. Ing.Giovanni Musio
Prof.Eliseo Fadda
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