Obiettivi formativi
I MODULO
1) Conoscenza e comprensione
Scopo del modulo di Macchine elettriche e azionamenti elettrici è fornire agli studenti una conoscenza di base del:
- funzionamento e applicazione dei trasformatori monofase e trifase
- funzionamento e applicazione delle macchine elettriche a collettore, asincrone e brushless
- funzionamento e applicazione dei motori passo passo
- principi di controllo di macchina e di controllo di azionamento
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Le competenze che lo studente potrà acquisire con questo insegnamento sono:
- calcolare la potenza apparente e la caduta di tensione dei trasformatori a seconda del tipo di applicazione
- scegliere la macchina elettrica rotante in base al tipo di utilizzo
- dimensionare la taglia della macchina rotante e dell’azionamento in base al tipo di servizio tenendo conto della zona di funzionamento a coppia e/o potenza costante
- dimensionare la resistenza di frenatura
II MODULO
1) Conoscenza e comprensione
Scopo del modulo di Elettronica industriale è fornire agli studenti una conoscenza di base di:
- dispositivi di rilevamento e trasduzione di interesse in ambito elettro-meccanico
- circuiti per l'elaborazione analogica dei segnali con utilizzo di amplificatori operazionali
- semplici circuiti digitali combinatori e sequenziali
- principi fondamentali e metodi di controllo automatico analogico e digitale
- convertitori elettronici di potenza
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Le competenze che lo studente potrà acquisire con questo insegnamento sono:
- la capacità di individuare i componenti di rilevamento e trasduzione opportuni per una determinata applicazione in base alle loro caratteristiche e alle specifiche del problema
- la capacità di analizzare il funzionamento di semplici circuiti basati su amplificatori operazionali
- la capacità di analizzare e dimensionare semplici sistemi di controllo automatico analogico
- la capacità di sintetizzare funzioni logiche combinatorie in forma minima
- la capacità di analizzare il funzionamento dei principali circuiti per la conversione statica dell'energia elettrica e di valutarne le prestazioni in base alle forme d'onda di tensione e corrente
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
I MODULO
a) Introduzione alle macchine elettriche
b) Trasformatori
c) Macchine elettriche rotanti
d) Azionamenti elettrici
II MODULO
1. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza
2. Conversione statica dell'energia elettrica
3. Sensori e trasduttori
4. Condizionamento del segnale
5. Segnali digitali
6. Controlli in retroazione
Programma esteso
I MODULO
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.
II MODULO
1. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza - 4 ore
Diodo pn. Transistore bipolare npn. MOSFET a canale n e a canale p. IGBT.
2. Conversione statica dell'energia elettrica - 16 ore
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".
3. Sensori e trasduttori - 6 ore
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.
4. Condizionamento del segnale - 16 ore
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.
5. Segnali digitali - 4 ore
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.
6. Cenni sui controlli digitali - 2 ore
Controllori digitali. Controllo adattativo.
Bibliografia
I MODULO
E.Bassi, A.Bossi “Macchine e Azionamenti Elettrici” UTET, Milano ISBN: 88-7933-184-1
Lecture notes
II MODULO
Argomenti 3, 4, 5, 6:
W. Bolton, "Mechatronics - electronic control systems in mechanical and electrical engineering", 4th ed., Pearson Educational, ISBN 978-0-13-240763-2.
Argomenti: 1, 2:
M. Rashid, "Power electronics", 3rd ed., Prentice-Hall, ISBN 0-13-122815-3.
Argomenti 1, 4:
R. Menozzi: "Appunti di elettronica", 2a edizione, Pitagora Ed., ISBN 88-371-1624-1.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
E’ previsto lo svolgimento di esercizi in aula, svolti sia dal docente che dagli studenti. Parte delle lezioni utilizzano slide disponibili agli studenti per il download.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste in una prova orale.
L'orale è unico per i due moduli integrati di "Azionamenti elettrici" ed "Elettronica industriale". Durante la prova lo studente dovrà dimostrare di conoscere i componenti ed i circuiti trattati nelle lezioni e di averne compreso e saperne descrivere il funzionamento. Si attribuisce importanza anche all'analisi quantitativa, svolta con calcoli manuali di prima approssimazione, dei circuiti e sistemi trattati.
Altre informazioni
Le pagine web dell'insegnamento sono reperibili sulla piattaforma Elly.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
