Tecnologie e progettazione di sistemi elettrici ed elettronici 3

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1 Enea Bove Giorgio Portaluri Tecnologie e progettazione di sistemi elettrici ed elettronici 3 Articolazione elettrotecnica Edizione mista

2 ISBN RCS Libri S.p.A. - Milano Ristampe Stampa: Lito Terrazzi, Firenze Hanno collaborato alla realizzazione dell opera: Coordinamento editoriale Barbara Speziali Progetto grafico e realizzazione Thèsis Contents S.r.l., Firenze-Milano Copertina Gandini & Rendina I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche a uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riser vati per tutti i paesi. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuare nei limiti del 15% di ciascun volume dietro paga mento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633, ovvero dell accordo stipulato tra SIAE, AIE, SNS e CNA, CONFARTIGIANATO, CASA, CLAAI, CONFCOMMERCIO, CONFESERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni per uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, c.so di Porta Romana 108, Milano, segreteria@aidro.org e sito web La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, via Rizzoli, 8, Milano, fax L editore è presente su Internet all indirizzo: L editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel presente volume. L edi tore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico. I contenuti del tuo libro non si trovano solo sulla carta. Adesso puoi trovare esercizi, espansioni e molto altro sul web, all indirizzo Tali strumenti ti consentiranno di integrare lo studio sul testo cartaceo con la possibilità di ripassare, prepararti alle verifiche orali e scritte, approfondire quanto affrontato in classe, ecc. Su ogni pagina del sito troverai un campo in cui digitare il codice che hai trovato nel volume, così avrai accesso diretto ai materiali digitali a esso relativi. Potrai scaricare e salvare i materiali sul tuo computer in modo che tu possa poi ritrovarli facilmente in qualsiasi momento.

3 ISBN RCS Libri S.p.A. - Milano Ristampe Stampa: Lito Terrazzi, Firenze Hanno collaborato alla realizzazione dell opera: Coordinamento editoriale Barbara Speziali Progetto grafico e realizzazione Thèsis Contents S.r.l., Firenze-Milano Copertina Gandini & Rendina I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche a uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riser vati per tutti i paesi. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuare nei limiti del 15% di ciascun volume dietro paga mento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633, ovvero dell accordo stipulato tra SIAE, AIE, SNS e CNA, CONFARTIGIANATO, CASA, CLAAI, CONFCOMMERCIO, CONFESERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni per uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, c.so di Porta Romana 108, Milano, autorizzazioni@clearedi.org. La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, via Rizzoli, 8, Milano, fax L editore è presente su Internet all indirizzo: L editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel presente volume. L edi tore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico. I contenuti del tuo libro non si trovano solo sulla carta. Adesso puoi trovare esercizi, espansioni e molto altro sul web, all indirizzo Tali strumenti ti consentiranno di integrare lo studio sul testo cartaceo con la possibilità di ripassare, prepararti alle verifiche orali e scritte, approfondire quanto affrontato in classe, ecc. Su ogni pagina del sito troverai un campo in cui digitare il codice che hai trovato nel volume, così avrai accesso diretto ai materiali digitali a esso relativi. Potrai scaricare e salvare i materiali sul tuo computer in modo che tu possa poi ritrovarli facilmente in qualsiasi momento.

4 Presentazione Tecnologie e progettazione di sistemi elettrici ed elettronici L opera è destinata all indirizzo Elettronica ed Elettrotecnica dei nuovi Istituti Tecnici Tecnologici per le articolazioni Elettronica, Elettrotecnica e Automazione. Il volume Ogni volume è strutturato in due parti, la prima contiene la Tecnologia e le nozioni teoriche per la progettazione, la seconda la progettazione esecutiva. La prima parte, con taglio più teorico, è suddivisa in moduli. Ogni modulo contiene un numero variabile di unità, una scheda storica, una scheda in inglese, un questionario di verifica di fine modulo e degli esercizi. La parte di progettazione contiene le seguenti sezioni: prontuario di progettazione: una raccolta di formule, di semplici schemi elettrici ed elettronici molto ricorrenti; applicazioni per progetti: soluzione di casi tipici che si possono incontrare all interno di progetti complessi. Queste applicazioni sono utilizzabili anche come esercitazioni di laboratorio; progetti: progetti completi di situazioni reali con riferimento alle norme di sicurezza, tutela ambientale e garanzia di funzionamento. Ogni volume è strutturato in modo tale da fornire allo studente, graduando le difficoltà in funzione dell età, gli strumenti per acquisire le seguenti competenze previste dai nuovi programmi ministeriali: applicare nello studio e nella progettazione di impianti e di apparecchiature elettriche ed elettroniche i procedimenti dell elettrotecnica e dell elettronica; utilizzare la strumentazione di laboratorio e di settore e applicare i metodi di misura per effettuare verifiche, controlli e collaudi; gestire progetti; gestire processi produttivi correlati a funzioni aziendali; analizzare e redigere relazioni tecniche e documentare le attività individuali e di gruppo relative a situazioni professionali; analizzare il valore, i limiti e i rischi delle varie soluzioni tecniche per la vita sociale e culturale con particolare attenzione alla sicurezza nei luoghi di vita e di lavoro, alla tutela della persona, dell ambiente e del territorio. 3

5 Il digitale Il volume cartaceo è accompagnato da una sezione digitale, disponibile su in cui sono disponibili i seguenti contenuti: materiali integrativi; data sheet; schede tecniche; normativa di riferimento; test. Il terzo volume Questo volume è destinato alla classe quinta dell articolazione Elettrotecnica. La maggior parte dei contenuti tratta i problemi inerenti la progettazione degli impianti elettrici e dei sistemi per l automazione industriale. Nel modulo 14 (Trasduttori e strumentazione virtuale) sono trattati i trasduttori ed i circuiti elettronici necessari per convertire una grandezza fisica in un segnale elettrico idoneo per essere acquisito da apparecchiature commerciali; il modulo si conclude con la trattazione di strumenti virtuali (Virtual Instrument) realizzati con LabVIEW. Il modulo 15 (Macchine elettriche e automazione industriale) analizza, anche dal punto di vista costruttivo, i vari tipi di motori elettrici e il loro utilizzo nei sistemi di automazione industriale; è inoltre approfondito l argomento relativo alla programmazione del PLC. Il modulo 16 (Il trasporto e la distribuzione dell energia elettrica) affronta i problemi relativi all utilizzazione dell energia elettrica esaminando le modalità di trasmissione e di distribuzione della stessa alle varie utenze. Il modulo 17 (Progettazione degli impianti di bassa tensione) tratta i principali aspetti della progettazione elettrica in bassa tensione esaminando i dispositivi utilizzati sia dal punto di vista del loro funzionamento sia delle specifiche applicazioni. Nei moduli 18 (Organizzazione della sicurezza d impresa) e 19 (Produzione e organizzazione d impresa) sono analizzati alcuni problemi inerenti il sistema produttivo; con approfondimenti particolari sulla sicurezza e sulla organizzazione d impresa. Il prontuario raccoglie in modo sintetico alcune formule e soluzioni circuitali di maggior utilizzo. Le applicazioni per progetti costituiscono esempi di una certa complessità. Possono essere utilizzate come esercitazioni di laboratorio per preparare i presupposti allo sviluppo di un progetto più complesso. I progetti guidati propongono soluzioni progettuali per sistemi anche complessi trattandone tutti gli aspetti partendo dalle specifiche tecniche richieste fino alla realizzazione finale. Sono trattati problemi di varia natura. Gli Autori 4

6 Guida alla lettura In queste pagine trovi indicazioni utili per organizzare lo studio al meglio, attraverso gli strumenti che il corso di Tecnologie e progettazione di sistemi elettrici ed elettronici ti mette a disposizione: il tuo libro di testo cartaceo; le espansioni che puoi consultare o scaricare collegandoti all indirizzo Il libro cartaceo è suddiviso in due parti, una più teorica e una più operativa, e mira al conseguimento di alcuni obiettivi fondamentali tra i quali: saper affrontare un problema di carattere tecnologico e individuare la documentazione necessaria alla sua risoluzione; saper scegliere i componenti tecnologici e gli strumenti operativi più adeguati alla risoluzione del problema o in realzione al progetto da realizzare; saper individuare e organizzare le risorse disponibili, con particolare riferimento agli aspetti tecnici ed economici; saper produrre la documentazione d uso. Le applicazioni per progetti forniscono numerose soluzioni di casi tipici utilizzabili come esercitazioni di laboratorio. Per verificare l acquisizione delle conoscenze e la capacità di rielaborazione dei concetti, nelle pagine finali delle unità e dei moduli si trovano numerosi test ed esercizi. I progetti finali consentono lo studio di numerose situazioni reali. 5

7 Il tuo libro sul web I contenuti del tuo libro proseguono sul web all indirizzo Internet Sulle pagine del testo trovi i rimandi alle espansioni: digitando il codice che hai trovato all interno di questo volume, potrai accedervi direttamente e scaricarle sul tuo computer. A partire dalla pagina iniziale, che vedi qui riportata, puoi navigare nei contenuti digitali suddivisi per modulo: materiali integrativi; data sheet; test; normativa. Strumenti sempre disponibili: indicazioni utili per l uso del foglio di calcolo; calcolatrice; tavola periodica; linkografia a siti di interesse dedicati ai diversi ambiti tecnologici. 6

8 Indice generale MODULO 14 Trasduttori e strumentazione virtuale UNITÀ 1 Sensori e trasduttori di misura 1 Misure e vocabolario metrologico 2 Sensori e trasduttori 3 Sensori e trasduttori di temperatura 4 Sensori estensimetrici 5 Trasduttori di posizione e di velocità 6 Sensori capacitivi Esercizi UNITÀ 2 Sistemi di misura virtuale 1 Strumenti di misura e data logger 2 Strumenti virtuali 3 Software per strumenti virtuali 4 Progettare con LabVIEW Scheda storica Strumenti virtuali e realtà virtuale Technical English LVDT Verifica di fine modulo UNITÀ 2 Classificazione dei motori elettrici Materiali integrativi Funzione di trasferimento degli estensimetri metallici a filo Microfoni 1 Condizioni di funzionamento 2 Caratteristiche di posizionamento 3 Sistemi di raffreddamento UNITÀ 3 Azionamenti industriali Data sheet Test MODULO 15 Macchine elettriche e automazione industriale UNITÀ 1 Macchine elettriche 2 Avvolgimenti Avvolgimenti induttori Avvolgimenti indotti Scheda integrativa Calcolo del coefficiente di Blondel Distribuzione dell avvolgimento sulla superficie dell indotto 3 Motori asincroni Principio di funzionamento e caratteristiche costruttive Avvolgimenti 4 Motori a corrente continua Principio di funzionamento e caratteristiche costruttive Scheda integrativa Tipi di eccitazione del motore a corrente continua 5 Macchine speciali Motori passo-passo Motori brushless Motori lineare a riduzione Generalità Avviamento e frenatura dei motori elettrici 138 Scheda integrativa Momento d inerzia Azionamenti a velocità non regolata Azionamenti a velocità regolabile Azionamenti pneumatici e oleodinamici Tecniche per la rappresentazione di sequenze di comando

9 UNITÀ 4 UNITÀ 2 Programmazione avanzata del PLC S7 200 Criteri di dimensionamento delle linee 1 Programmazione strutturata 2 Merker speciali 3 Operazioni di interrupt 4 Contatori veloci 5 Uscita a impulsi 6 Orologio hardware 7 Potenziometro analogico 8 Ingressi e uscite analogiche Esercizi Scheda storica Storia dell ascensore Technical English Direct insertion start for asynchronous engine Verifica di fine modulo Materiali integrativi Reostato di avviamento Avviamento e protezione dei motori ABB Motore asincrono trifase Avviamento motore Rockwell Catalogo motori SMEM MODULO 16 Il trasporto e la distribuzione dell energia elettrica UNITÀ 1 Impianti di trasporto e distribuzione 2 Modalità di trasmissione dell energia elettrica 3 Caratteristiche costruttive delle linee Conduttori Funi di guardia Isolatori Sostegni Cavo in carta impregnata Cavo a olio fluido Cavo in isolante estruso Designazione dei cavi 4 Apparecchi di manovra Caratteristiche funzionali degli interruttori Confronto fra trasporto in corrente continua e in corrente alternata 2 I parametri elettrici delle linee 3 Calcolo elettrico delle linee Il criterio termico Criterio della massima caduta di tensione Criterio a sezione costante Criterio a densità di corrente costante Criterio della massima perdita di potenza Criterio del massimo tornaconto economico UNITÀ 3 Cabine di trasformazione MT/BT Apparecchi e componenti 272 Apparecchiature di manovra e protezione sul lato MT 274 Numero di trasformatori 274 Schemi tipici del lato a BT 274 Trasformatore MT/BT Criteri di scelta e di dimensionamento dei componenti delle cabine elettriche 278 Lato media tensione 278 Lato bassa tensione Struttura delle reti di distribuzione a MT e BT Scheda storica L evoluzione della rete elettrica tra passato e presente (Archivio TERNA) 286 Technical English SF6 Gas Technology 287 Verifica di fine modulo 288 Materiali integrativi Fusibili media tensione Protezioni da sovratensioni Dossier Sicurezza ed Efficienza Enegetica degli impianti elettrici a norma CEI Dossier arco elettrico Schneider Electric S.p.A. Glossario tecnico per cavi e accessori di Media Tensione

10 Guida all uso e all installazione dei cavi a MT Il black-out del 2003 Proprietà del SF6 Interruttore magnetico combinato con fusibile 7 Selettività e back-up delle protezioni Protezione serie o di back-up MODULO 17 Progettazione degli impianti di bassa tensione UNITÀ 1 Classificazione dei sistemi elettrici 2 Classificazione dei sistemi elettrici in relazione alla messa a terra 3 L impianto di terra 4 Protezione contro i contatti accidentali Protezione contro i contatti indiretti Protezione contro i contatti indiretti nei sistemi IT Protezione contro i contatti diretti UNITÀ 2 Sovracorrenti e protezione dalle sovracorrenti Sovratensioni e protezione dalle sovratensioni 2 Origine delle sovratensioni 3 Protezione dalle sovratensioni Scheda storica I sistemi di collegamento a terra nel mondo Technical English General information and application fuses Verifica di fine modulo Materiali integrativi GEWISS-bassa tensione Trasformatori in resina Tabella CEI-UNEL Manuale Tisystem Relè Relè elettromagnetico Relè amperometrico Relè voltmetrico Relè termico Relè magnetotermico 3 Fusibili Criteri costruttivi Principio di funzionamento Grandezze caratteristiche Combinazioni di apparati 4 Correnti di sovraccarico e di cortocircuito Sollecitazione termica di una conduttura Portata di una conduttura (IZ) 5 Protezione contro i sovraccarichi 6 Protezione contro il cortocircuito Corrente di cortocircuito Corrente minima di cortocircuito Protezione contro il cortocircuito Dispositivi di protezione contro le sovracorrenti UNITÀ 3 MODULO 18 Organizzazione della sicurezza d impresa UNITÀ 1 Le competenze delle figure preposte alla prevenzione e alla sicurezza 2 Il R.S.P.P. 3 Rapporti del R.S.P.P. all interno e all esterno dell azienda 4 La formazione e l informazione 5 La valutazione dei rischi UNITÀ 2 Manutenzione ordinaria e di primo intervento 372

11 2 I tipi di manutenzione 3 Gli addetti della manutenzione 4 I lavori e la manutenzione elettrica UNITÀ 3 Premessa La gestione dei rifiuti Il trattamento dei rifiuti Rifiuti di Apparecchiature Elettriche ed Elettroniche (RAEE) Il business plan e il manuale d uso UNITÀ 4 Impatto ambientale Premessa I settori oggetto di valutazione Evoluzione della normativa La procedura di Valutazione di Impatto Ambientale (VIA) 5 Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) Scheda storica L evoluzione della legislzione in materia di igiene e sicurezza sul lavoro Technical English The electrical maintenance Verifica di fine modulo MODULO 19 Produzione e organizzazione d impresa UNITÀ 1 Sistemi di qualità e certificazione ISO La funzione del business plan 3 L articolazione del business plan L Executive summary L impresa Il mercato target Il sistema competitivo allargato Le strategie Le scelte operative Il progetto Il piano economico-finanziario 4 Manuale d uso Il panorama legislativo Scheda storica Evoluzione storica del concetto di qualità Technical English Sections of a business plan Verifica di fine modulo Materiali integrativi Guida elaborazione business plan Manuale utente ipad 2 Lucidi business plan Materiali integrativi D.Lgs 195/2003 Guida ANIE: applicazione D.Lgs 151 Grado di protezione IP Contenuto del SIA e metodi di valutazione Esempio di scheda di manutenzione Alcune sentenze relative al ruolo di R.S.P.P. Il compost UNITÀ 2 Lo smaltimento dei rifiuti Sistemi qualità 3 La ISO La Certificazione ISO 9001 PROGETTAZIONE Premessa 428 Prontuario per la progettazione 1 Grandezze sinusoidali e vettori rotanti 2 Vettori e numeri complessi 3 Circuiti in regime sinusoidale 4 Misure di potenza in corrente continua 5 Misure di potenza in corrente alternata 6 Rifasamento

12 Applicazioni per progetti 1 Tachimetro digitale Misuratore di livello Linea in cavo alimentata a una estremità con carichi derivati Linea in cavo alimentata a una estremità con carichi ramificati Impianto elettrico di un cantiere edile 453 Progetti 1 Dimensionamento di una linea elettrica aerea trifase in Media Tensione Impianto elettrico di un area adibita a campeggio L impianto elettrico di un complesso industriale Controllo tramite computer della posizione di un pannello solare Controllo della velocità e della temperatura di un forno per essiccazione 498 INDICE ANALITICO

13 14 Trasduttori e strumentazione virtuale MODULO Verifica dei prerequisiti Sensori e trasduttori di misura U. 1 U. 2 Sistemi di misura virtuale Scheda storica Strumenti virtuali e realtà virtuale Technical English LVDT Verifica di fine modulo OBIETTIVI Conoscenze Funzionamento dei principali trasduttori Sistemi di misura e memorizzazione Strumenti virtuali Principali funzioni di LabVIEW Abilità Descrivere il funzionamento dei principali trasduttori Scegliere il trasduttore idoneo alla specifica applicazione Saper realizzare semplici strumenti virtuali con LabVIEW 12

14 Prerequisiti Conoscere le proprietà elettriche dei materiali Conoscere le principali leggi di elettrostatica ed elettromagnetismo Saper utilizzare le principali regole per la soluzione di circuiti elettrici Saper usare il PC e avviare un software applicativo Verifica dei prerequisiti 1. In quali materiali la resistività aumenta con l aumentare della temperatura? Quali parametri geometrici possono produrre una variazione della capacità di un condensatore? Qual è la differenza di comportamento fra resistenza e capacità in un circuito che elabora segnali in corrente alternata? Cosa rappresenta la corrente di polarizzazione di un amplificatore operazionale? L impedenza d ingresso di un operazionale ha un valore piccolo. a Vero; b Falso 6. Un amplificatore differenziale amplifica la differenza fra il segnale di ingresso e quello a Vero; b Falso di uscita. Materiale online Funzione di trasferimento degli estensimetri metallici a filo Microfoni Data sheet Test Suggerimenti didattici Questo modulo affronta i principali problemi relativi alla misura delle grandezze fisiche. Sui trasduttori descritti nella prima unità si può fare una prima lettura veloce per averne un quadro complessivo, e ritornare successivamente quando è necessario approfondire il singolo trasduttore prima di utilizzarlo. La seconda unità descrive alcune tecniche di misura ed elaborazione dei valori misurati. Una particolare attenzione va riservata al software LabVIEW il cui approfondimento va concordato con la disciplina di sistemi automatici. 13

15 UNITÀ 1 Sensori e trasduttori di misura CONTENUTI OBIETTIVI Conoscenze 1 Misure e vocabolario metrologico 2 Sensori e trasduttori 3 Sensori e trasduttori di temperatura Competenze 4 Sensori estensimetrici 5 Trasduttori di posizione e di velocità 6 Sensori capacitivi OBIETTIVI Conoscenze Normativa sui sistemi di misura Principio Conoscenze di funzionamento dei principali trasduttori Circuiti di interfaccia di alcuni trasduttori resistivi Abilità Descrivere il funzionamento dei principali Competenze trasduttori Progettare il circuito di interfaccia per trasduttori resistivi 1 Misure e vocabolario metrologico Da sempre l uomo ha cercato di analizzare i fenomeni della natura e darne una spiegazione razionale, quando non ci riesce si rifugia nell irrazionale o nella fede. Un punto di riferimento importante per la spiegazione razionale dei fenomeni nasce con l introduzione del metodo scientifico proposto da Galileo Galilei nel XVII secolo. Questo metodo prescrive che l analisi scientifica di un fenomeno naturale si basa su tre pilastri fondamentali: osservabilità, misurabilità, ripetibilità. Effettuare misure su un fenomeno naturale significa misurare le grandezze che lo caratterizzano. La più elementare operazione di misura consiste nel confrontare la grandezza da misurare con una grandezza analoga denominata unità di misura e determinare quante volte l unità di misura è contenuta nella grandezza sotto misura. Dire che una parete è lunga 4 m significa che un asta denominata metro è compresa 4 volte nella lunghezza della parete. Per consentire lo scambio di merci e di informazioni scientifiche fra diverse nazioni è stato istituito il sistema internazionale di misura (SI) che definisce un certo numero di unità di misura fondamentali e di unità derivate a cui tutta la comunità scientifica e tecnologica si deve adeguare. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia è emersa la necessità di standardizzare anche il significato delle parole connesse a un processo di misura. Questa necessità ha indotto alla definizione di uno specifico vocabolario descritto nelle seguenti norme: UNI_UNIPREA 4546 Misure e Misurazioni, termini e definizioni fondamentali ISO VIM International Vocabulary of basic and general terms in Metrology 14