COSTRUZIONI ELETTROMECCANICHE

COSTRUZIONI ELETTROMECCANICHE UNIVERSITÀ DI TRIESTE Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica Docente prof.ing.Alfredo Contin

Argomenti: • il progetto nella realtà industriale; • il disegno tecnico; • macchine omotetiche; • i problemi termici; • i trasformatori; • le macchine in AC (asincrone e sincrone); • le macchine in CC • descrizione tecnologica • dimensionamento geometrico e scelta dei materiali • verifica elettromagnetica • esercitazioni: un progetto di massima • Esercitazioni sull’uso di un CAD Elettromagnetico. Introduzione

Testi: • appunti del corso in http://didattica.ing.units.it • dispense • contin alfredo • costruzioni elettromeccaniche. • N.Bianchi, S. Bolognani, “Metodologia di Progettazione delle Macchine Elettriche”, ed. CLUP Padova, 2001. • E. Di Pierro, “Costruzioni Elettromeccaniche”, ed. Siderea Roma, 1989. • Esami: • progetto di un trasformatore e di un motore asincrono; • esame orale. • Visita di fine corso all’Ansaldo di Monfalcone.

La progettazione delle macchine nel contesto della realtà industriale Introduzione al Corso Il progetto di un sistema è dato dall’insieme delle delle procedure atte a: definire e configurare l’intero sistema, dimensionare le singole parti (componenti), verificare la sua realizzabilità, valutare l’economicità delle soluzioni proposte.

Qualsiasi progetto è sempre inserito in: contesto scientifico, contesto culturale, contesto tecnologico, contesto economico, contesto realizzativo. La progettazione e la realizzazione delle macchine e degli apparati utilizzati negli impianti elettrici ed industriali fanno riferimento alla realtà industriale manufatturiera

ORGANIGRAMMA DI UN SISTEMA INDUSTRIALE ORGANIGRAMMA DI UNA UNITÀ PRODUTTIVA

Le macchine elettriche La macchina elettrica è un convertitore di energia da una forma ad un’altra di cui almeno una elettrica. Durante la trasformazione, la macchina è soggetta a diverse sollecitazioni (elettriche, meccaniche, termiche, ambientali….) di cui alcune di tipo dissipativo Le sollecitazioni debbono essere tenute in conto simultaneamente durante la fase progettuale Le esigenze possono essere contrastanti e quindi il progetto è spesso il risultato di un compromesso tra differenti esigenze

Specifiche Contrattuali Progetto di Macchina Problema di Ingegneria Aspetti Economici Progetto Meccanico Progetto Termico Sviluppo di un progetto di una macchina elettrica Progetto Elettromagnetico Verifica delle Specifiche Contrattuali

Metodologia generale di progettazione Le prestazioni di una macchina elettrica derivano da tre aspetti fondamentali: • tipologia e geometria della macchina (trasf., asincrona, sincrona, tipo di avvolgimento…) • caratteristiche dei materiali (resistività, temperatura di lavoro, caratteristiche meccaniche…) • parametri geometrici (rapporti dimensionali, numero di poli o spire….) Obiettivo della progettazione è quello di trovare dei parametri geometrici, la giusta tipologia e gli appropriati materiali affinchè vengano rispettati i vincoli specificati nel contratto

Problema della progettazione Siano X1, X2,…. Xn i parametri geometrici e Y1, Y2,…. Ym le prestazioni di interesse, il problema del progetto si riassume nel: “Trovare i valori dei parametri geometrici X1, X2,…. Xn della macchina prescelta (come tipologia e materiali costituenti) tali che le prestazioni Y1, Y2,…. Ym soddisfino le specifiche di progetto” Si ipotizza che il risultato si possa raggiungere scrivendo un opportuno sistema di equazioni algebriche Yi=Yi(p1, p2,…. pk) (pi=>parametri di un adeguato modello usato per descrivere la macchina, es. circuito equivalente, modello di campo)

p1, p2,…. pk sono funzione dei parametri geometrici di macchina: pi=pi(X1, X2,…. Xn) Si devono anche considerare equazioni di vincolo sulle dimensioni della macchina (ingombro=costo), legate alla fisica realizzabilità Gi=Gi(X1, X2,…. Xn) X1, X2,…. Xn non sono variabili indipendenti ma alcuni parametri geometrici possono essere espressi in funzione di altri Il sistema che ne risulta è, molto spesso, complesso e non-lineare La ricerca delle soluzioni è molto difficile perché le soluzioni possono essere molteplici o non esistere affatto (problema dei limiti di progettazione e delle tolleranze di specifica

Soluzione di progetto Nella pratica corrente non viene richiesto l’esatto soddisfacimento delle specifiche di progetto perché la soluzione è di norma non univoca La soluzione del problema del progetto non consiste nella determinazione dei valori ottimi dei parametri geometrici X1, X2,…. Xn bensì in una regione n-dimensionale in cui ciascun vettore X1, X2,…. Xnin essa contenuto, soddisfa tutte le specifiche richieste Ciascun componente Xi può assumere un determinato sottoinsieme di valori e non uno soltanto.

Aspetti Economici Minimizzazione Costi Produzione Minimizzazione Costi Esercizio Rendimento e Qualità Tecnologie Costruttive (Ammortamento) Scelta dei Materiali Mano d’Opera e/o Automazione Dettagli: Corso di Economia Aziendale

Problemi di Ingegneria Sviluppo di un Prodotto

Problemi di Ingegneria Sviluppo Temporale Scelta delle Soluzioni Costruttive Selezione e Prove Nuovi Materiali Progetto Specifico Pre-Progettazione dei Componenti Studio di Nuove Soluzioni o Tecnologie Messa a Punto Impianti ed Attrezzature Approvvigionamento Materiali e Semi-Lavorati Fabbricazione Macchina Dettagli: Corso di Ricerca Operativa e Logistica della Produzione

La Progettazione e la Produzione Assistita dal calcolatore (CAD/CAM) Il progetto delle macchine elettriche dovrebbe essere sviluppato ricorrendo alle equazioni di Maxwell applicate a mezzi disomogenei ed anisotropi. • Quando i supporti di calcoli erano limitati al solo regolo, è stato fatto un grosso sforzo di semplificazione ed approssimazione delle equazioni di campo. • L’avvento e la diffusione del calcolatore ha invertito questa tendenza ed ha portato ad un notevole sviluppo nel settore della Grafica Industriale (es.:AutoCad), nel settore dei CAD Industriali (Software basato su Metodi agli Elementi ed alle Differenze ).

Attenzione: la Grafica Industriale è un sottosistema del CAD. • La complessità delle formule utilizzate cresce all’aumentare delle risorse di calcolo che si rendono disponibili. • Anche la produzione si avvale, oramai, delle risorse del calcolatore (macchine ed impianti a controllo numerico, field-bus, integrazione). I processi di produzione sono regolati da software dedicato che si occupa della minimizzazione dei tempi di produzione mediante la ottimizzazione delle risorse utilizzate • Il processo di automazione della produzione non ha neanche risparmiato il magazzino pezzi e componenti (Group Technology= standardizzazione delle dimensioni).

L’Informatica Industriale Si occupa delle problematiche della ICG, del CAD, del CAM e della loro integrazione, attraverso la connessione in rete delle risorse di calcolo. • Il progettista o la sezione CAD, ricevono (via rete) le specifiche di progetto dal settore commerciale e danno inizio al procedimento di progettazione. • La progettazione si sviluppa tenendo conto delle macchine e dei processi di lavorazione disponibili (data-base CAM). • Anche gli archivi del GT vengono resi disponibili per la scelta dei componenti (conoscenza delle caratteristiche e delle dimensioni geometriche standardizzate nel GT).

Alla conclusione del processo di progettazione vengono diramati i documenti di conclusione progetto. • Documenti di lavorazione: sono essenzialmente composti da disegni di insieme e di parti esplose che mostrano la struttura della macchina in tutte le sue parti. Il CAM programmerà la lavorazione e l’assemblaggio secondo le sue procedure. • Documenti per il GT: sono le specifiche di approvvigionamento per la gestione del magazzino, per le forniture just-in-time e delle sub-forniture. • L’archivio riceverà tutta la documentazione che dimostra come il dimensionamento geometrico, elettromeccanico e termico abbia rispettato le specifiche di contratto.

Le problematiche relative alla qualità, alla sicurezza e all’ambiente in una realtà produttiva, riguardano sia il prodotto che i processi produttivi. La gestione corretta di tali problemi acquista sempre maggior rilievo, per l’aspetto promozionale, per i vantaggi produttivi che ne derivano e, soprattutto per quanto concerne l’ambiente e la sicurezza, per le implicazioni sociali che influiscono direttamente sui rapporti fra il mondo esterno e la realtà produttiva stessa. PROBLEMA della QUALITÀ, della SICUREZZA e dell’AMBIENTE IN UNA REALTÀ PRODUTTIVA

Le problematiche prima elencate, hanno rilevanza sia all’interno dell’azienda, sia nei rapporti con i clienti o più in generale con il mondo esterno, ed in questo caso è richiesto di dare una evidenza oggettiva dei metodi adottati per la loro gestione. Poiché la gestione della qualità è regolamentata da norme e quella dell’ambiente e della sicurezza da disposizioni legislative (nazionali o comunitarie) e da norme, il darne evidenza oggettiva significa dimostrare l’osservanza delle norme e delle disposizioni legislative. Ciò vale sia per i prodotti ed i processi, che per i sistemi di gestione.

La via percorsa, soprattutto dai grandi clienti e dagli enti pubblici per verificare tale evidenza oggettiva, era ed è spesso ancora costituita dall’effettuazione di visite ispettive periodiche. Il moltiplicarsi di tali visite costituisce, spesso, per l’azienda un onere, anche molto elevato, in termini di persone e di risorse. Può essere quindi molto utile far verificare la propria struttura di gestione o il proprio prodotto da un ente terzo, che in modo obiettivo verifica la rispondenza alle prescrizioni legislative ed alle norme vigenti.

Tale ente rilascia una certificazione che può evitare o semplificare la maggior parte delle visite ispettive soprattutto da parte dei clienti dell’azienda certificata, a fronte delle sole visite effettuate dall’ente che ha rilasciato la certificazione. Ovviamente la certificazione comporta dei costi relativi all’impegno di risorse che l’ente di controllo deve utilizzare per la verifica iniziale e per le visite ispettive periodiche. In presenza di gravi non conformità la certificazione può essere sospesa o annullata

La corretta applicazione di un sistema di gestione in particolare per la qualità in una realtà industriale viene certificata da enti di controllo accreditati, tale attività viene svolta in Italia, dal SINCERT. Per l’industria elettrica italiana la certificazione viene in generale rilasciata dal CSQ o dal RINA. Il CSQ ed il RINA sono membri del CISQ che a livello europeo aderisce ad EQ NET cheraggruppa i principali enti di certificazione in Europa. CERTIFICAZIONE DI SISTEMA

Rilievo della situazione esistente. Creazione di un gruppo di lavoro con o senza apporti esterni. Scelta della normativa di riferimento. Formalizzazione delle attività mediante specifiche, procedure e manuali della qualità. Scelta dell’ente certificatore. Richiesta di certificazione ed invio del manuale all’Ente prescelto. Visita per la certificazione. Visite di controllo. Visite ispettive. ITER DELLA CERTIFICAZIONE DI SISTEMA

La rispondenza di un prodotto a determinati requisiti può essere controllata in via ufficiale da enti accreditati. La certificazione viene ottenuta a fronte dei positivi risultati di una serie di prove normalizzate. La certificazione di prodotto può essere rilasciata da un ente certificatore oppure da un cliente (di solito grande), che effettua una omologazione per le forniture di suo interesse. CERTIFICAZIONE DI PRODOTTO

SISTEMA DI QUALITÀ La struttura organizzativa, le responsabilità, le procedure, i procedimenti e le risorse messi in atto per la conduzione aziendale per la qualità. GARANZIA DI QUALITÀ L’insieme delle azioni pianificate e sistematiche necessarie a dare adeguata confidenza che un prodotto o servizio soddisfi determinati requisiti di qualità. CONTROLLO DELLA QUALITÀ Le tecniche e le attività a carattere operativo messe in atto per soddisfare i requisiti di qualità. LA QUALITÀ IN AZIENDA

Gli obiettivi e gli indirizzi generali di una organizzazione per quanto riguarda la qualità, espressi in modo formale dall’Alta Direzione. la Direzione del Fornitore deve definire e documentare la politica, gli obiettivi e gli impegni da essa stabiliti per la qualità. Il fornitore deve assicurare che tale politica venga compresa, attuata e sostenuta a tutti i livelli aziendali. POLITICA PER LA QUALITÀ

NORME RELATIVE ALLA QUALITÀ SISTEMI DI QUALITÀ LABORATORI SCOPI CONTRATTUALI ISO EN 9001 ISO EN 9002 ISO EN 9003 SCOPI NON CONTRATTUALI ISO EN 9004 UNI CEI 45001

LA QUALITÀ DEI MATERIALI INSIEME AL CONTROLLO DEI PROCESSI DI LAVORAZIONE COSTITUISCE UNO DEI FATTORI PRINCIPALI PER IL MANTENIMENTO DEL LIVELLO DI QUALITÀ PREFISSATO IN UN PRODOTTO. PUO’ RISULTARE QUINDI DI PARTICOLARE INTERESSE PRENDERE IN ESAME CON MAGGIORE DETTAGLIO QUESTO ASPETTO, CHE COSTUISCE UN ESEMPIO DAL QUALE POSSONO ESSERE DERIVATE CONSIDERAZIONI DI VALENZA GENERALE. QUALITÀ NEI MATERIALI

NORMALMENTE I MATERIALI VENGONO ACQUISITI ALL’ESTERNO. PER MANTENERE UN ADEGUATO LIVELLO DI QUALITÀ È QUINDI NECESSARIO: QUALIFICARE IL FORNITORE. OMOLOGARE IL PRODOTTO PREDISPORRE ADEGUATE SPECIFICHE DI ACQUISTO ED ELENCHI PROVE E COLLAUDI DA UTILIZZARE IN OCCASIONE DELL’ACCETTAZIONE DI CIASCUNA FORNITURA. ACQUISIZIONI DA TERZI

È NECESSARIO VERIFICARE CHE IL FORNITORE POSSIEDA I MEZZI ECONOMICI E FINANZIARI, UNA STRUTTURA TECNICA ED UN SISTEMA DI QUALITÀ ADEGUATI PER PRODURRE O TRASFORMARE I MATERIALI OGGETTO DELLA FORNITURA. QUALIFICAZIONE DEL FORNITORE OMOLOGAZIONE DEL PRODOTTO È NECESSARIO VERIFICARE CON UNA SERIE DI PROVE DI TIPO CHE IL MATERIALE CONSIDERATO POSSIEDE CARATTERISTICHE ADEGUATE PER IL TIPO DI IMPIEGO A CUI È DESTINATO. TALE VERIFICA PUÒ ESSERE PERIODICAMENTE RIPETUTA.

Sulla base dei risultati dell’omologazione e delle caratteristiche dichiarate dal fornitore vengono emesse le SPECIFICHE del materiale. Dalle specifiche si estrae un ELENCO PROVE E COLLAUDI (EPC)di accettazione. SPECIFICHE ED ELENCHI PROVE E COLLAUDI ACCETTAZIONE • Per ogni lotto di materiale in entrata devono essere effettuate le prove previste dall’elenco prove e collaudi. • Tali prove potranno essere eseguite presso il fornitore, presso il cliente o presso laboratori esterni.

Qualora un materiale risulti non conforme dovrà essere segregato e contrassegnato in modo da evitarne l’impiego. Dovranno essere avvertiti: l’Ufficio Acquisti; la Produzione; gli Uffici Amministrativi; la Funzione Qualità. NONCONFORMITÀ

L’Ufficio Acquisti; La Produzione; Gli Uffici Amministrativi; La Funzione Qualità discuteranno la nonconformità anche con il fornitore e decideranno se modificare il materiale o rifiutarlo. AZIONI CORRETTIVE

Durante il processo produttivo i materiali dovranno essere adeguatamente identificati e caratterizzati per evitare un loro impiego non corretto. I processi di trasformazione dovranno essere descritti in una procedura. CONTROLLI IN FABBRICAZIONE I MATERIALI NELLA CERTIFICAZIONE DI PRODOTTO Poiché i materiali sono uno degli elementi determinanti ai fini del mantenimento di un livello di qualità prefissato, è necessario che, in concomitanza con la certificazione di un prodotto, vengano adeguatamente caratterizzati e certificati.

Quando i processi di fabbricazione, con i relativi collaudi intermedi, sono conclusi, sul prodotto vengono effettuati una serie di collaudi finali, codificati dal contratto di vendita o da capitolati di valore generale. Il superamento delle prove di collaudo, eventualmente effettuate ad integrazione di prove di omologazione costituisce la dimostrazione che il prodotto è conforme a quanto prescritto dal cliente. COLLAUDI FINALI

Ambiente per una azienda è costituito da tutto ciò che è situato all’esterno del sito produttivo, con cui si interagisce con emissioni di vario tipo, che possono influenzare il livello di vita dell’uomo, degli animali, delle piante e modificare quindi l’ecosistema. Al fine di ottenere la compatibilità dell’azienda con l’ambiente si costituisce un “Sistema di gestione ambientale” più o meno complesso che dipende direttamente dalla Direzione. Compito del “Sistema di gestione ambientale” è di verificare l’osservanza di leggi e regolamenti relativi all’ambiente e di predisporre e realizzare un piano ambientale in azienda prefiggendosi obiettivi e scadenze temporali. GESTIONE DELL’AMBIENTE

Come per la qualità, la certificazione viene effettuata da organismi accreditati, che normalmente si occupano di qualità, ambiente e sicurezza. Le Norme di riferimento sono raggruppate nella serie ISO 14000 che si occupano, sia dei problemi di certificazione dei sistemi, che dei prodotti, ad esempio per la “Determinazione del ciclo di vita”, (Life Cycle Analysis). A livello Europeo esistono dei riconoscimenti su base comunitaria (EMAS, Ecolabel). CERTIFICAZIONE DI UN “SISTEMA DI GESTIONE AMBIENTALE”

La “Sicurezza e la salute sul posto di lavoro” in azienda si riferisce a tutto ciò che è situato all’interno del sito produttivo, con cui si interagiscono le persone che vi operano. Al fine di ottenere la compatibilità del personale con l’ambiente all’interno della società, si costituisce un “Sistema di gestione della sicurezza e della salute sul posto di lavoro” più o meno complesso che dipende direttamente dalla Direzione. Compito del “Sistema di gestione della sicurezza e della salute sul posto di lavoro” è di verificare l’osservanza delle leggi e dei regolamenti relativi alla “Sistema di gestione della sicurezza e della salute sul posto di lavoro” di predisporre e realizzare un piano aziendale prefiggendosi obiettivi e scadenze temporali. GESTIONE DELLA SICUREZZA E DELLA SALUTE SUL POSTO DI LAVORO (626/92)

Come per la qualità e l’ambiente, la certificazione viene effettuata da organismi accreditati, che normalmente si occupano di qualità, ambiente e sicurezza. Attualmente non esistono norme internazionali, si fa perciò riferimento alla norma BSI 8800 che si occupa, di certificazione dei sistemi. Come per l’ambiente, è naturalmente fondamentale, in via preliminare, seguire rigorosamente la legislazione vigente. È possibile gestire qualità, ed ambiente con un unico sistema integrato. CERTIFICAZIONE DI UN “SISTEMA DI GESTIONE DELLA SICUREZZA E DELLA SALUTE SUL POSTO DI LAVORO

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