Macchine Elettriche 2015 2016

SAPIENZA UNIVERSITÀ DI ROMA
CORSI DI LAUREA MAGISTRALE IN
INGEGNERIA ELETTROTECNICA
INGEGNERIA ENERGETICA
PROGRAMMA DEL CORSO
MACCHINE ELETTRICHE
MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI
Anno Accademico 2015-2016
Docente:
Ezio Santini
Denominazione del corso:
Macchine Elettriche
Settore scientifico disciplinare: ING-IND/32
Crediti formativi:
CFU 9
Recapiti del docente:
sito web
posta elettronica
telefono ufficio
cellulare
ricevimento
www.eziosantini.it
ezio.santini@ uniroma1.it
06 44585524
347 3562560
il mercoledì dalle 13:30 alle 15:30
Obiettivi formativi specifici
Conoscere i componenti, le modalità di impiego e i criteri di scelta degli
azionamenti elettrici. Questi ultimi sono sistemi costituiti da una macchina
elettrica, un convertitore statico che la alimenta e dai circuiti di controllo che
ne determinano le modalità di funzionamento. Il corso si propone in primo
luogo di fornire la conoscenza elementare delle principali macchine elettriche
(trasformatori e macchine rotanti). I restanti componenti e modalità di
funzionamento dei rispettivi azionamenti sono descritti in funzione delle
esigenze applicative, sottolineando in particolare le modalità di regolazione
della velocità, coppia e altre grandezze elettriche e meccaniche.
Conoscenze e abilità attese
Capacità di valutare le problematiche di impiego degli azionamenti elettrici.
Capacità di utilizzare i criteri di comparazione e di scelta delle diverse tipologie,
in relazione alle caratteristiche dell’applicazione. Capacità di definire le
specifiche delle apparecchiature costituenti l’azionamento elettrico.
Programma del corso
Aspetti generali
Caratteristiche dei carichi ed esigenze poste agli azionamenti; principi generali
della conversione elettromeccanica e funzionamento reversibile delle macchine
elettriche; limiti termici, elettrici e magnetici dei motori elettrici.
Richiami alle leggi fondamentali dell’elettromagnetismo
Le equazioni di Maxwell, la legge di Ampere, la legge di Faraday Lenz, campi
magnetici nella materia, proprietà dei materiali, materiali utilizzati nei sistemi
elettromagnetici e loro proprietà caratteristiche, legge di rifrazione delle linee
di campo, energia immagazzinata nel campo magnetico e elettrico, pressione
sulla superficie di separazione tra materiali a diversa permeabilità magnetica
immersi in un campo magnetico. Analisi e confronto energetico tra le macchine
elettrostatiche ed elettromagnetiche. Fenomeni termici nei sistemi
elettromagnetici e problematiche associate. Il potenziale vettore ed il flusso di
induzione magnetica. Il flusso concatenato. Le linee equipotenziali per il
potenziale vettore.
Trasformatori di potenza
Il trasformatore ideale. Il trasformatore lineare: caratteristiche costruttive, il
flusso di mutuo accoppiamento, il flusso di dispersione, funzionamento a
vuoto, sotto carico e in corto circuito. Analisi funzionale ed energetica. Il
trasformatore reale: il nucleo ferromagnetico, le perdite nel ferro, la
caratteristica magnetica; funzionamento a vuoto, modello matematico e
circuito equivalente, analisi funzionale ed energetica;funzionamento sotto
carico: determinazione del modello matematico; operazioni di riporto delle
grandezze al primario e/o al secondario; circuito equivalente; circuito
equivalente semplificato; analisi funzionale ed energetica;diagramma
vettoriale. Determinazione dei parametri del trasformatore mediante le prove a
vuoto ed in corto circuito. Perdite e rendimento. Il trasformatore trifase: tipi di
connessione e gruppi, il nucleo del trasformatore trifase; funzionamento a
vuoto; funzionamento sotto carico. Funzionamento a vuoto di un trasformatore
trifase a flussi vincolati in regime sinusoidale. Transitorio di inserzione di un
trasformatore a vuoto. Transitorio di corto circuito di un trasformatore. Gli
autotrasformatori monofase e trifase. I trasformatori di tensione e di corrente.
I circuiti di sequenza per trasformatori trifase. Caratteristiche di impiego.
Aspetti costruttivi.
Generalità sulle macchine rotanti
I principi di conversione elettromeccanica dell’energia. La conversione
elettromagnetica dell’energia: sistemi elettromeccanici con un solo
avvolgimento di eccitazione; coppia di riluttanza. Sistemi elettromeccanici con
più avvolgimenti. Struttura delle macchine elettriche, gli avvolgimenti
distribuiti. Il campo magnetico al traferro nelle macchine con rotore isotropo;
le coppie polari; angoli elettrici e angoli meccanici. Il flusso concatenato e le
tensioni indotte.Il coefficiente di autoinduzione al traferro. Macchina sincrona
elementare; macchina asincrona elementare; macchina a corrente continua
elementare. Forze meccaniche nelle macchine elettriche rotanti. Legge di
ampere microscopica. La coppia elettromagnetica nelle macchine elettriche
rotanti.
Azionamenti con macchine asincrone
Aspetti costruttivi della macchina asincrona, sua importanza e applicazioni.
Modello generale e circuito equivalente per il funzionamento a regime.
Definizione dello scorrimento e principali condizioni di funzionamento come
motore. Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costante. La macchina
a rotore avvolto e la macchina con rotore a gabbia. Rotore a gabbia semplice,
a doppia gabbia, ad addensamento di corrente. Prova a vuoto e prova in corto
circuito di un motore asincrono trifase ai fini della determinazione dei
parametri del suo schema equivalente, della valutazione delle perdite, del
tracciamento del diagramma circolare. Rendimento dei motori asincroni.
Regolazione della velocità dei motori asincroni per commutazione di poli, per
mezzo di collegamento in cascata di due motori, per iniezione di forze
elettromotrice nel rotore. Regolazione della velocità dei motori asincroni per
variazione della frequenza di alimentazione. Regolazione a rapporto
tensione/frequenza costante. Applicazione nella trazione. Funzionamento da
freno del motore asincrono. Generatrice asincrona. Il motore asincrono
monofase: applicazione dell’algebra delle sequenze, circuito equivalente,
caratteristica elettromeccanica. Regolazione della velocità a frequenza
variabile, preceduta dalla descrizione del principio di funzionamento di
raddrizzatori e inverter.
Macchine sincrone
Aspetti costruttivi della macchina sincrona, sua importanza e applicazioni.
Modello generale e circuito equivalente per il funzionamento a regime.
Caratteristiche costruttive; analisi e modellizzazione del funzionamento a
vuoto: caratteristica a vuoto. Funzionamento da alternatore. Diagrammi
vettoriali per il funzionamento a regime. Analisi e modellizzazione del
funzionamento sotto carico; circuito equivalente della macchina elettrica
sincrona a poli lisci; funzionamento della macchina sincrona su rete di potenza
prevalente. Coppia meccanica. Stabilità della macchina elettrica sincrona.
Diagramma circolare. Funzionamento in corto circuito e caratteristica di corto
circuito. Caratteristica a fattore di potenza zero e triangolo di Potier.
Regolazione della potenza attiva e reattiva. Cenni al funzionamento da motore.
Regime sinusoidale in un alternatore a poli salienti: diagrammi vettoriali di
Blondel. - Rilievo delle reattanze sincrone secondo l'asse diretto e secondo
l'asse in quadratura di una macchina sincrona a poli salienti. - Grandezze
nominali e dati di targa di un alternatore. - Caratteristiche esterne degli
alternatori. - Caratteristiche di carico degli alternatori. - Caratteristiche di
regolazione degli alternatori. - Caratteristiche della variazione di tensione degli
alternatori. - Parallelo di una macchina sincrona su sbarre di una rete a
potenza prevalente. Correnti e coppie sincronizzanti. - Funzionamento da
generatore, da condensatore sincrono, da induttore sincrono e da motore di
una macchina sincrona preventivamente collegata in parallelo su una rete di
potenza prevalente. - Avviamento autosincrono delle macchine sincrone. Forza elettromotrice e coppia elettromagnetica resistente nel funzionamento da
generatore di una macchina sincrona; forza controelettromotrice e coppia
motrice nel funzionamento da motore. Angolo di coppia. - Espressioni e
rappresentazioni grafiche della potenza attiva e della potenza reattiva in
funzione dell'angolo di coppia nelle macchine sincrone a rotore liscio e a poli
salienti. - La stabilità statica e dinamica delle macchine sincrone collegate a
una rete di potenza. - Corto circuito brusco trifase netto di un alternatore
funzionante inizialmente a vuoto: andamento delle correnti statorica e
rotoriche. Costante di tempo del circuito d'armatura, del circuito d'eccitazione,
dei circuiti smorzatori. Reattanze sincrone subtransitoria e transitoria secondo
l'asse diretto e secondo l'asse in quadratura. - Curve a V di un motore
sincrono. - Motori sincroni a magneti permanenti. - Motori sincroni a riluttanza
variabile.
Azionamenti con macchine in corrente continua
Principio di funzionamento e modello della macchina in corrente continua.
Strutture e nomenclatura della macchina a corrente continua. Principio di
funzionamento della dinamo. Espressione della forza elettromotrice generata. I
tipi di eccitazione delle macchine a corrente continua. Caratteristica a vuoto e
caratteristica di magnetizzazione delle dinamo. La reazione di armatura nelle
dinamo e suoi inconvenienti. I poli ausiliari e gli avvolgimenti di
compensazione. Le caratteristiche esterne delle dinamo. Le caratteristiche di
carico delle dinamo. Le caratteristiche di regolazione delle dinamo. La
commutazione nelle dinamo: commutazione lineare e commutazione reale. I
motori a corrente continua. Le caratteristiche elettromeccaniche e meccaniche
dei motori a corrente continua. L'avviamento dei motori a corrente continua.
La regolazione della velocità a coppia costante, della coppia a velocità
costante, della velocità e della coppia a potenza costante nel motore a corrente
continua con eccitazione indipendente. La regolazione della velocità e della
coppia nei motori a corrente continua con eccitazione in parallelo e con
eccitazione in serie. Applicazioni nelle lavorazioni e nella trazione
rispettivamente dei motori con i due tipi di eccitazione. Utilizzazione della
macchina a corrente continua nei quattro quadranti del piano coppia/velocità e
del piano corrente/tensione. Il gruppo Ward/Leonard con macchine rotanti e
con raddrizzatore bidirezionale. Cenni alla regolazione di velocità.
Prerequisiti
Conoscenze di base di elettrotecnica e teoria dei circuiti.
Tipologia delle attività formative
Lezioni (ore/anno in aula): 60
Esercitazioni (ore/anno in aula): 30
Laboratori (ore/anno in aula): 0
Progetti (ore/anno in aula): 0
Materiale didattico consigliato
Ezio Santini. Dispense del corso. Disponibili al sito Web o da richiedere
direttamente al docente: www.eziosantini.it
Ciro Di Pieri. Appunti di Macchine Elettriche. CLUP 2014.
Testi per consultazione
A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, R. Kusko, “Macchine elettriche. Processi, apparati
e sistemi per la conversione di energia” , Franco Angeli Ed., 1987, ISBN:
9788820422158.
A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, S. D. Umans, “Electric machinery”, McGraw-Hill
series in electrical engineering: Power and Energy, McGraw-Hill, 2003, ISBN:
0071230106, 9780071230100.
I.Boldea, S.A.Nasar, “Electric Drives”, CRC Press, 1998, ISBN: 0849325218,
9780849325212.
G.R.Slemon, “Electric Machines and Drives”, Addison-Wesley,1992, ISBN: 0201-57885-9.
Modalità di verifica dell'apprendimento
L’esame si compone di una prova scritta e di una prova orale. La prova scritta
è di carattere numerico, nella prova orale si discuteranno gli argomenti teorici
sviluppati durante il corso. Entrambe le prove riguarderanno tutti gli argomenti
trattati nel corso. La sufficienza nella prova scritta (18/30) è condizione
necessaria per l’accesso alla prova orale.
Data di redazione di questo documento: 28 Settembre 2015
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SAPIENZA UNIVERSITÀ DI ROMA
CORSI DI LAUREA MAGISTRALE IN
INGEGNERIA ELETTROTECNICA
INGEGNERIA ENERGETICA
PROGRAM OF THE COURSE
ELECTRICAL MACHINES
ELECTRICAL MACHINES AND DRIVES
A.Y. 2015-2016
Professor:
Course denomination:
Italian scientific sector:
Credits:
Ezio Santini
Electrical Machines
ING-IND/32
CFU 9 (equivalent to 9 ECTS)
Professor coordinates:
website
www.eziosantini.it
email
ezio.santini@ uniroma1.it
phone (office)
+39 06 44585524
mobile
+39 347 3562560
didactic meetings
Wednesday – 14:00 to 16:00
Course description
This course examines the operating theory, construction, testing, application,
protection and control of electric machines. Building upon the principles of
electric circuit theory and magnetic circuit theory, the following topics are
studied: three phase power, transformers, induction machines, synchronous
machines, DC machines, stepper motors, single phase motors. The following
device/systems will be also considered: fuses, circuit breakers, motor control,
programmable logic controllers, polyphase rectification.
Prerequisites
Basics of vectors, matrices, matrix operations, determinants and linear
transformations. Applications to linear algebraic equations and
eigenvalue/eigenvector problems, systems of linear ordinary differential
equations. Vector functions and operators, curvilinear coordinates, line and
surface integrals and integral theorems such as Stoke's and Green's theorems.
Applications in circuit theory, control systems, network theory,
electromagnetism, robotics, gravitation, and system modeling.
Course learning outcomes / competencies
Upon successful completion, the student will be able to:
Single Phase AC Circuits
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

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Use Euler's Identity to represent and manipulate voltage, current and
power.
Use phasors to represent AC quantities both graphically and analytically.
Define and determine active power, reactive power, apparent power,
complex power, power factor.
Use the power triangle to represent AC power graphically.
Use the per unit system to represent circuit quantities.
Three Phase Circuits

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




Describe the generation of three phase power.
Identify characteristics of three phase power and differentiate from
single phase power.
Analyze wye and delta connected, 3-wire circuits.
Analyze 4-wire circuits.
Analyze balanced and unbalanced loads.
Analyze non-linear loads and harmonics.
Use the symmetrical components technique to analyze three phase
circuits.
Magnetic Circuits






Relate magnetic circuit quantities to their electrical analogs.
Interpret magnetization curves and determine their electrical
implications.
Relate hysteresis and energy loss in a magnetic circuit.
Determine the forces on a current carrying conductor in a magnetic field.
Determine the induced voltage in a conductor in a magnetic field.
Relate eddy currents and energy loss in a magnetic circuit.
Transformers






Explain transformer principles of action.
Outline transformer construction.
Describe the magnetic flux effects of an electrical load connected to a
transformer.
Incorporate the transformer equivalent circuit in circuit analysis.
Determine transformer losses.
Determine transformer parameters via laboratory test procedures.

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

Connect transformers to obtain specified voltage and phase shift
objectives.
Analyze and apply autotransformer principles.
Analyze transformer inrush current.
Describe the use of instrument transformers.
Induction Motor
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


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

Explain induction motor principles of operation.
Outline induction motor construction.
Explain the NEMA operating classifications for induction motors.
Analyze normal load behaviour.
Analyze overload behaviour.
Analyze off-voltage and off-frequency behaviour.
Analyze inrush current.
Analyze inrush current.
Synchronous Motor


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
Explain synchronous motor principles of operation.
Outline synchronous motor construction.
Explain synchronous motor starting
Analyze steady-state operation.
Analyze over and under excitation effects.
Analyze normal load behaviour.
Analyze overload behaviour.
Analyze braking.
Synchronous Generator

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
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


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
Explain synchronous generator principles of operation.
Outline synchronous generator construction.
Explain the concept of an infinite bus.
Analyze steady-state operation.
Analyze over and under excitation effects.
Analyze normal load behaviour.
Analyze overload behaviour.
Analyze the interaction between the prime mover and the synchronous
generator.
Synchronize a generator with the utility network.
Explain and analyze "watt sharing" and "var sharing" among parallel
generators.
DC Machine


Explain DC machine principles of operation.
Outline DC machine construction.





Explain the electro-mechanical rectification performed by commutator
and brushes.
Analyze and explain self-excited and separately excited machines.
Analyze and explain shunt, series and compound excitation.
Analyze normal load behaviour.
Analyze and explain "loss of field" and its effects on machine behaviour.
Single Phase Induction Motor





Explain
Outline
Explain
Explain
Explain
single phase induction motor principles of operation.
single phase induction motor construction.
the dual counter-rotating field.
starting.
phase splitting.
Date of this document: September 28th, 2015
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