Obiettivi Formativi

OF 1 (Conoscenza e comprensione): Far acquisire conoscenze sui principi teorici dei circuiti elettrici in corrente continua e alternata, sugli strumenti per l’analisi e la risoluzione degli stessi, e sui relativi aspetti energetici, al fine di far comprendere i fondamenti della distribuzione di energia elettrica. Fornire la conoscenza delle problematiche legate alla sicurezza elettrica e dei principali strumenti di protezione nella progettazione degli impianti elettrici. OF 2 (Capacità di applicare conoscenza e comprensione): Far acquisire la capacità di descrivere qualitativamente e quantitativamente il funzionamento e gli aspetti energetici di circuiti semplici, in regime stazionario, in bassa e alta frequenza, alla risonanza, in transitorio, applicando i diversi strumenti forniti. Far acquisire la capacità di intuire le problematiche di sicurezza elettrica negli ambienti e applicare le soluzioni progettuali per quelle problematiche. OF 3 (Autonomia di giudizio): Far acquisire la capacità di individuare autonomamente gli strumenti necessari all'analisi, alla comprensione e alla risoluzione dei circuiti elettrici e dei problemi di sicurezza negli impianti elettrici, anche attraverso l'integrazione delle conoscenze acquisite con appropriate indagini bibliografiche tali da consentire un confronto critico tra le diverse soluzioni possibili e l’elaborazione autonoma dei concetti. OF 4 (Abilità comunicative): Far acquisire la capacità di intendere ed utilizzare il linguaggio tecnico appropriato alla disciplina, comprendere e saper presentare in modo chiaro e organico gli elaborati di analisi e risoluzione delle problematiche elettriche. OF 5 (Capacità di apprendimento): Far acquisire un metodo di studio individuale adeguato a consentire l'approfondimento delle conoscenze e ad affrontare ulteriori tematiche avanzate o settoriali.

Learning Goals

OF 1 (Knowledge and understanding): Aims of the discipline are: to provide knowledge on the theoretical principles of electrical circuits in direct and alternating current, on the tools for the analysis and resolution of the circuits, and on the related energy aspects, in order to provide comprehension of the fundamentals of electric power distribution. To provide knowledge of problems related to electrical safety and the main protection tools in the design of electrical systems. OF 2 (Ability to apply knowledge and understanding): To provide the ability to describe, qualitatively and quantitatively, the operation and the energy aspects of simple circuits, in steady state, in low and high frequency, at resonance, in transient regime, applying the different provided tools. Students should acquire the ability to understand the problems of electrical safety and to apply the design solutions for those problems. OF 3 (Autonomy of judgment): To provide the ability to independently identify the necessary tools for the analysis, understanding and resolution of electrical circuits and safety problems in electrical systems. This can be achieved also through the integration of the knowledge acquired by means of appropriate bibliographic investigations, in order to allow a critical comparison between the different possible solutions and the autonomous elaboration of the concepts. OF 4 (Communication skills): To provide the ability to understand and use the appropriate technical language of the discipline, and the ability to understand, and present in a clear and organic way, the analysis and resolution of electrical problems. OF 5 (Learning skills): Students should acquire an adequate individual method of study to allow the deepening of knowledge and to address further advanced issues.

Metodi didattici

Il corso si svolge attraverso lezioni frontali ed esercitazioni numeriche e progettuali. Le diverse attività sono svolte in aula, anche con l’ausilio di strumenti multimediali e software tecnici. Le esercitazioni possono essere sia individuali sia in gruppo.

Teaching Methods

The course consists of lectures, and of numerical and project exercises. The activities are carried out in classroom, also with the aid of multimedia tools and technical softwares. Exercises can be both individual and in groups.

Prerequisiti

Conoscenza dei principi fondamentali di analisi matematica (risoluzione di sistemi di equazioni lineari e di semplici equazioni differenziali di primo e secondo ordine, numeri complessi), sia di fisica (elettromagnetismo di base). ​​​​​​​

Prerequisites

Knowledge of the fundamental principles of mathematical analysis (systems of linear equations, simple first and second order differential equations, complex numbers), and of physics (basic electromagnetism).

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento è effettuata attraverso tre prove: 1) una prova scritta finalizzata ad accertare la capacità di applicare le conoscenze e gli strumenti acquisiti nella risoluzione dei circuiti elettrici, in continua e alternata, con un approccio metodologico adeguato; • la valutazione della prova scritta è effettuata in trentesimi; • lo studente supera la prova scritta se ottiene una valutazione maggiore o uguale a 18/30; • superata la prova scritta, lo studente è ammesso all’orale e può svolgerlo nell’appello dello scritto o in quello successivo; lo studente che non supera la prova scritta è sconsigliato dal presentarsi alla prova orale; 2) una prova orale sugli argomenti del programma per verificare la padronanza dei concetti teorici acquisiti durante il corso e la capacità di esporli in maniera critica adoperando un linguaggio tecnico adeguato; • la valutazione della prova orale è effettuata in trentesimi; • se lo studente non dimostra l’acquisizione degli obiettivi formativi specifici con una prova orale almeno sufficiente entro i limiti di validità dello scritto, deve rifare la prova scritta; 3) la presentazione e discussione di semplici documenti grafico-tecnici per un progetto di un impianto elettrico; • può avvenire contestualmente alla prova orale o successivamente, durante l’anno accademico in cui è stata superata la prova scritta; • a conclusione della presentazione degli elaborati, viene formulata la votazione finale a partire dalla media della prova scritta e della prova orale, e tenendo conto della presentazione degli elaborati progettuali. Durante il corso, inoltre, saranno effettuate due o tre verifiche intermedie in forma scritta, con valutazione in trentesimi, che prevedono la risoluzione di esercizi e quesiti teorici a risposta aperta e/o chiusa: • è esonerato dalle prove scritta e orale lo studente che ha ricevuto una valutazione media maggiore o uguale a 18/30 nelle verifiche in itinere, avendo però ottenuto in ognuna delle prove una valutazione superiore a 15/30. • nel caso di una prova in itinere nettamente insufficiente, o per migliorare l’esito di una delle prove, è prevista la possibilità di recuperare quegli argomenti durante gli appelli dell’anno accademico, tramite prove scritte e orali ad-hoc. la validità delle prove in itinere, per la presentazione finale degli elaborati progettuali, è di un anno accademico.

Assessment

The learning assessment is carried out through three tests: 1) a written test aimed at ascertaining the ability to apply the acquired knowledge and tools in the resolution of electrical circuits, in direct and alternating current, with an appropriate methodological approach; • the evaluation of the written test is given in thirtieths; • student passes the written test if he/she gets a rating greater than or equal to 18/30; • once the written text is passed, student is admitted to the oral and he may take the oral test in the same round of exams or in the next one; student who fails the written test is strongly discouraged from showing up for the oral test; 2) an oral test on the topics of the program to verify the competence about the theoretical concepts acquired during the course and the ability to explain them in a critical way using appropriate technical language; • the evaluation of the oral test is given in thirtieths; • if student does not demonstrate the acquisition of the specific training objectives with at least sufficient oral test within the term limit of the written test, he/she must redo the written test; 3) the presentation and discussion of simple graphic-technical documents for a project of an electrical system; • it may take place at the same time as the oral test or later, during the academic year when student has passed the written test; • at the end of the presentation, the final grade is given, accounting for the average of ratings received in the previous two tests, and considering the presentation of project documents. During the course, in addition, two or three intermediate written tests are expected, with evaluation in thirtieths, including the resolution of exercises and open and/or closed theoretical questions: • student who receives an average rating of more than or equal to 18/30 in the intermediate tests is exempt from the written and oral tests, having received in any test a rating greater that 15/30; • in the case of an insufficient intermediate test, or to improve the rating of one test, the emerged gaps can be filled during the rounds of exams of the academic year through written and oral ad-hoc tests; • the validity of the intermediate tests, for the final presentation of the graphic-technical documents, is of an academic year.

Programma del Corso

CONCETTI E LEGGI FONDAMENTALI: Circuito elettrico. Generatori e utilizzatori. Carica e corrente, tensione, potenza, energia. Bipoli, attivi e passivi, lineari e non lineari, collegamento in serie e parallelo. Resistori, legge di Ohm, potenza dissipata. Generatori indipendenti di tensione e corrente, reali e ideali, forme d’onda (costante per DC, sinusoidale per AC). Convenzioni degli utilizzatori e dei generatori. Legge di Ohm generalizzata. Nodi, rami e maglie, leggi di Kirchhoff alle correnti (LKC) e alle tensioni (LKT), risoluzione dei circuiti tramite leggi di Kirchhoff. Resistori in serie e partitore di tensione, resistori in parallelo e partitore di corrente, calcolo della resistenza di una rete vista da due punti, trasformazioni stella-triangolo. Generatori controllati di corrente e di tensione come quadripoli, calcolo della resistenza equivalente in presenza di generatori controllati. Strumenti di misura e loro collegamento, voltmetro, amperometro, wattmetro. TEOREMI DELLE RETI: Linearità di una rete, principio di sovrapposizione degli effetti. Collegamento di generatori di tensione e corrente, generatori prevalenti. Teorema di Thevenin, teorema di Norton, trasformazione dei generatori reali. Teorema di Millman. Teorema del massimo trasferimento di potenza. CONDENSATORI E INDUTTORI: Principio fisico di funzionamento dei condensatori, capacità, legame tra tensione e corrente in un condensatore, condensatori in serie e in parallelo, energia immagazzinata nel condensatore, transitorio RC. Principio fisico di funzionamento degli induttori, legge di Opkinson, legge di Faraday-Neumann, induttanza, legame tra tensione e corrente in un induttore, induttori in serie e in parallelo, energia immagazzinata nell’induttore, transitorio RL. C ed L come bipoli inerziali. REGIME SINUSOIDALE E FASORI: Grandezze periodiche, alternate, sinusoidali, valore medio, valore efficace, operazioni tra sinusoidi. Definizione di vettore rotante e di fasore, operazioni sui fasori e loro proprietà. Risposta in regime sinusoidale, legge di Ohm in AC, definizione di impedenza, composizione di impedenze. Triangolo delle impedenze, triangolo delle tensioni. ANALISI IN REGIME SINUSOIDALE: Risoluzione dei circuiti in AC, principio di sovrapposizione, trasformazione dei generatori, circuiti equivalenti di Thevenin e Norton, circuiti risonanti, risposta in frequenza di un circuito RLC serie. POTENZA IN REGIME SINUSOIDALE E RIFASAMENTO: Potenza istantanea, fluttuante, attiva istantanea e reattiva istantanea, potenza attiva e reattiva, potenza apparente, potenza complessa, triangolo delle potenze, fattore di potenza. Teorema di Boucherot. Rifasamento totale e parziale. Teorema del massimo trasferimento di potenza attiva. CIRCUITI CON ACCOPPIAMENTO MAGNETICO: Differenza tra auto e mutua induzione, coefficiente di mutua, convenzione dei puntini, teorema di reciprocità. Trasformatori, rapporto di trasformazione. SISTEMI TRIFASE: Introduzione, sistemi simmetrici di tensione e equilibrati di corrente. Collegamento a stella e a triangolo dei generatori e dei carichi. Grandezze di linea e di fase. Sistemi simmetrici ed equilibrati: risoluzione, potenza, misura della potenza. Sistemi dissimmetrici e squilibrati: risoluzione, potenza, teorema di Aron. Rifasamento trifase. Vantaggi del trifase. Campo magnetico rotante di Galileo Ferraris. SICUREZZA ELETTRICA: Principi di sicurezza. Definizione di rischio. Elettrofisiologia. Limiti di pericolosità di corrente e tensione. INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI ELETTRICI: Direttive e norme di riferimento. Definizioni e classificazioni degli impianti elettrici. Livelli di progetto. Determinazione del carico convenzionale. Cavi elettrici. PROTEZIONE DALLE SOVRACORRENTI e SOVRATENSIONI: Sovraccarico e cortocircuito, interruttore magnetotermico. Sovratensioni e scaricatore di sovratensione. PROTEZIONE DA CONTATTI DIRETTI E INDIRETTI: Definizioni. Impianto di terra. Interruttore differenziale. Selettività. ESEMPI DI PROGETTO.

Course Syllabus

BASIC CONCEPTS AND LAWS: Electrical circuit. Generators and users. Electric charge and current, voltage, power and energy. Two terminal elements, active and passive, linear and nonlinear, series and parallel connection. Resistors, Ohm's law, dissipated power. Independent generators of voltage and current, real and ideal, waveforms (constant for DC, sinusoidal for AC). User and generator conventions. Generalized Ohm's law. Nodes, branches and loops, Kirchhoff's nodal (LKC) and loop (LKT) rules, resolution of circuits through Kirchhoff's laws. Resistors in series and voltage divider, parallel resistors and current divider, calculation of the resistance of a network from two points, star-delta transformations. Controlled current and voltage generators as four-terminal elements, calculation of equivalent resistance in the presence of controlled generators. Measuring instruments and their connection, voltmeter, ammeter, wattmeter. NETWORK THEOREMS: Linearity of a network, superposition principle. Connection of voltage and current generators, prevailing generators. Thevenin’s theorem, Norton’s theorem, transformation of real generators. Millman's theorem. Maximum power transfer theorem. CAPACITORS AND INDUCTORS: Physical principle of operation of capacitors, capacitance, relationship between voltage and current in a capacitor, capacitors in series and in parallel, energy stored in the capacitor, RC transient. Physical principle of operation of inductors, Opkinson's law, Faraday-Neumann's law, inductance, relationship between voltage and current in an inductor, inductors in series and in parallel, energy stored in the inductor, RL transient. C and L as inertial elements. ALTERNATING CURRENT AND PHASORS: Periodic, alternating, sinusoidal functions, average value, effective value, operations between sinusoids. Definition of rotating vector and phasor, operations with phasors and their properties. Sinusoidal response, sinusoidal Ohm's law, definition of impedance, connection of impedances. Impedance triangle, tension triangle. ANALYSIS OF AC CIRCUITS: Resolution of circuits in AC, superposition principle, transformation of the generators, equivalent circuits of Thevenin and Norton, resonant circuits, frequency response of a series RLC circuit. POWER IN AC AND POWER FACTOR COMPENSATION: Instantaneous power, floating power, instantaneous active and reactive power, active and reactive power, apparent power, complex power, power triangle, power factor. Boucherot's theorem. Total power factor correction and partial power factor correction. Maximum active power transfer theorem. CIRCUITS WITH MAGNETIC COUPLING: Difference between self and mutual induction, mutual induction coefficient, dots rule, reciprocity theorem. Transformers, transformation ratio. THREE-PHASE SYSTEMS: Introduction, symmetrical voltage and balanced current systems. Star and delta connection of generators and loads. Relations between line and phase quantities. Symmetric and balanced systems: resolution, power, power measurement. Unbalanced systems: resolution, power, Aron's theorem. Power factor correction in three-phase systems. Advantages of three-phase systems. Galileo Ferrari’s rotary magnetic field. ELECTRICAL SAFETY: Safety principles. Definition of risk. Electrophysiology. Voltage and current dangerousness limits. INTRODUCTION TO ELECTRICAL SYSTEMS: Directives and standards. Definitions and classifications of electrical systems. Project levels. Conventional load determination. Electrical cables. PROTECTION AGAINST OVERCURRENTS AND SURGE: Overload and short-circuit, magnetothermal switch. Surge and surge protection device. PROTECTION AGAINST DIRECT AND INDIRECT CONTACTS: Definitions. Earthing system. Differential switch. Selectivity. PROJECT EXAMPLES.