Obiettivi formativi
L'insegnamento di Macchine elettriche e azionamenti elettrici ha l'obiettivo di fornire le conoscenze di base relative al funzionamento e all’impiego delle principali macchine elettriche e degli azionamenti elettrici in campo industriale
Scopo del modulo di Elettronica industriale è fornire agli studenti una conoscenza di base dei convertitori elettronici di potenza, dei dispositivi di rilevamento e trasduzione, delle tecniche di controllo e dell’elaborazione dei segnali in ambito meccatronico.
Prerequisiti
Si presuppone nello studente la familiarità con le nozioni di matematica, fisica, elettrotecnica ed elettronica impartite dal Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica.
Contenuti dell'insegnamento
Classificazione delle macchine elettriche. Perdite e rendimento. Riscaldamento e smaltimento delle perdite.
Il trasformatore ideale e il trasformatore reale: funzionamento a vuoto e funzionamento a carico.
Calcolo della caduta di tensione, potenza, perdite e rendimento. Trasformatori trifase. Utilizzo dei trasformatori in campo industriale.
Macchine asincrone: generalità, funzionamento a vuoto e funzionamento a carico, caratteristiche meccaniche, caratteristiche funzionali. L’avviamento dei motori asincroni e variazione della velocità di rotazione.
Macchine a corrente continua: generalità, sistemi di eccitazione e caratteristiche meccaniche, avviamento e variazione della velocità di rotazione
Macchine sincrone a magneti permanenti: motori brushless di tipo trapezio e motori brushless di tipo sinusoidale: generalità e caratteristiche funzionali.
Motori passo a magneti permanenti, a riluttanza e ibridi.
Caratteristiche operative degli Azionamenti elettrici. Azionamenti industriali per trattamento fluidi, per trazione, azionamenti a moto incrementale, azionamenti per macchine operatrici meccaniche: assi e mandrini.
Azionamenti elettrici con motore in continua a magneti permanenti: controllo di macchina (coppia) e controllo di azionamento (velocità, posizione). Alimentazione del motore a corrente continua: chopper a doppia modulante. Cenni sui problemi introdotti dalle risonanze torsionali.
Azionamenti elettrici con motori di tipo brushless. Caratteristiche costruttive e funzionamento. Controllo di macchina e controllo di azionamento. Azionamenti elettrici con motori a induzione. Caratteristiche costruttive e funzionamento. Controllo di macchina e controllo di azionamento. Azionamenti elettrici incrementali: tecniche di comando dei motori passo.
1. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza
2. Conversione statica dell'energia elettrica
Raddrizzatore monofase e trifase. Convertitori DC/DC: buck, boost, buck-boost, ponte H. Inverter a ponte monofase e trifase.
3. Sensori e trasduttori
Spostamento, posizione e prossimità. Velocità e moto. Forza. Pressione dei fluidi. Flusso e livello dei liquidi. Temperatura. Sensori ottici.
4. Condizionamento del segnale.
Amplificatori operazionali. Protezione. Filtraggio. Ponte di Wheatstone. Modulazione ad impulsi (PWM).
5. Segnali digitali.
Segnali analogici e digitali. Convertitori D/A e A/D. Multiplexer. Acquisizione dati. Elaborazione numerica dei segnali (DSP).
6. Controlli in retroazione
Controllore on-off. Controllore Proporzionale-Integrale-Differenziale (PID). Controllori digitali. Controllo adattativo.
Programma esteso
MACCHINE ELETTRICHE E AZIONAMENTI ELETTRICI
a) Introduzione alle macchine elettriche
Classificazione delle macchine elettriche. Perdite e rendimento.
Riscaldamento e smaltimento delle perdite.
b) Trasformatori
Il trasformatore ideale e il trasformatore reale: funzionamento a vuoto e funzionamento a carico.
Calcolo della caduta di tensione, potenza, perdite e rendimento. Trasformatori trifase. Utilizzo dei trasformatori in campo industriale.
c) Macchine elettriche rotanti
Macchine asincrone: generalità, funzionamento a vuoto e funzionamento a carico, caratteristiche meccaniche, caratteristiche funzionali. L’ avviamento dei motori asincroni e variazione della velocità di rotazione. Macchine a corrente continua: generalità, sistemi di eccitazione e caratteristiche meccaniche, avviamento e variazione della velocità di rotazione
Macchine sincrone a magneti permanenti: motori brushless di tipo trapezio e motori brushless di tipo sinusoidale: generalità e caratteristiche funzionali.
Motori passo a magneti permanenti, a riluttanza e ibridi.
d) Azionamenti elettrici
Caratteristiche operative degli Azionamenti elettrici. Azionamenti industriali per trattamento fluidi, per trazione, azionamenti a moto incrementale, azionamenti per macchine operatrici meccaniche: assi e mandrini.
Azionamenti elettrici con motore in continua a magneti permanenti: controllo di macchina (coppia) e controllo di azionamento (velocità, posizione). Alimentazione del motore a corrente continua: chopper a doppia modulante. Cenni sui problemi introdotti dalle risonanze torsionali.
Azionamenti elettrici con motori di tipo brushless. Caratteristiche costruttive e funzionamento. Controllo di macchina e controllo di azionamento. Azionamenti elettrici con motori a induzione. Caratteristiche costruttive e funzionamento. Controllo di macchina e controllo di azionamento. Azionamenti elettrici incrementali: tecniche di comando dei motori passo.
ELETTRONICA INDUSTRIALE
1. Sensori e trasduttori
Terminologia. Spostamento, posizione e prossimità: potenziometri; sensori capacitivi; sensori induttivi; encoder ottici; interruttori di prossimità; sensori ad effetto Hall. Velocità e moto: dinamo tachimetri; generatore AC; sensori piroelettrici. Forza e pressione: celle di carico; sensori piezoelettrici. Temperatura: strisce bimetalliche; RTD; termistori; termodiodi e termotransitor; termocoppie. Sensori ottici: fotodiodo; fototransistor; fotoresistore; CCD.
2. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza
Diodo pn. Transistore bipolare npn. MOSFET a canale n e a canale p. IGBT.
3. Condizionamento del segnale
Amplificatori e funzioni di rete. Amplificatori differenziali. Amplificatori operazionali: comportamento in frequenza. Esempi di applicazione degli amplificatori operazionali. Amplificatore 741. Amplificatore per strumentazione: INA114. Amplificatore logaritmico. Comparatore. Circuiti di protezione ed isolamento. Filtri passivi ed attivi. Ponte di Wheatstone. Conversione A/D: campionamento e teorema di Shannon. Convertitori D/A: weighted resistor DAC; ladder DAC; ZN558D. Convertitori A/D: ADC ad approssimazioni successive; ZN439; cenni sui convertitori flash. Amplificatore sample & hold. Multiplexer. Schede di acquisizione dati.
4. Segnali digitali
Circuiti digitali combinatori: operatori logici; leggi di De Morgan; mappe di Karnaugh; generatore di parità; comparatore; decoder. Circuiti digitali sequenziali: flip-flop SR asincrono e sincrono; flip-flop D e T; flip-flop JK; registri; timer 555.
5. Controlli in retroazione
Ritardo ed errore a regime. Controllore on-off. Controllore Proporzionale- Integrale-Differenziale (PID). Controllori digitali. Controllo adattativo.
6. Conversione statica dell'energia elettrica
Introduzione e parametri di merito dei convertitori. Raddrizzatore a singola semionda; carica-batterie. Raddrizzatore a onda intera con secondario a presa centrale. Raddrizzatore a ponte. Filtri passa-basso. Raddrizzatore a ponte con carico RLE. Raddrizzatore a ponte trifase. Convertitori DC/DC di tipo "switching": Buck, Boost, Buck-Boost; convertitore DC/DC a ponte; modulazione PWM. Convertitori DC/AC (inverter): inverter a mezzo ponte; inverter a ponte intero; inverter trifase. Modulazione degli inverter a ponte: PWM a impulso singolo, a impulsi multipli, sinusoidale; modulazione "space vector".
Bibliografia
E.Bassi, A.Bossi “Macchine e Azionamenti Elettrici” UTET, Milano ISBN: 88-7933-184-1
M. Rashid, "Power electronics", 3rd ed., Prentice-Hall, ISBN 0-13-122815-3.
Metodi didattici
Lezioni frontali. E’ previsto lo svolgimento di esercizi in aula.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste in una prova orale. L'orale è unico per i due moduli
Altre informazioni
PER ENTRAMBI I MODULI
Materiale didattico disponibile su lea.unipr.it
