Approfondimenti di elettrotecnica

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1 Giovanni Saba Sistemi ed Automazione ndustriale Terza Edizione Approfondimenti di elettrotecnica OESHE EDTOE

2 APPOFONDMENT D EETTOTENA 2 E1 ANAS D ET N ATENATA e reti elettriche con generatori di fem alternate, che comprendono resistori, capacitori e induttori, si studiano utilizzando gli stessi principi e gli stessi metodi generali e particolari già visti per le reti in continua e leggi di Kirchhoff, ed i metodi da esse derivati, hanno infatti validità generale e si applicano a qualunque regime di alimentazione, anche a quello sinusoidale Anche qui, nel caso la rete presenti un solo generatore, può essere compiuta una analisi intuitiva considerando alcuni circuiti elementari: disposizione serie, disposizione parallelo, disposizione a stella e a triangolo ecc ome è facile dimostrare, in questi casi elementari vigono relazioni del tutto simili a quelle valide per la corrente continua, a patto di considerare la rappresentazione vettoriale (e quindi come numeri complessi) delle grandezze sinusoidali E11 e impedenze Si può dire che resistori, capacitori e induttori sviluppano delle impedenze Z allo scorrere della corrente alternata: impedenza resistiva, impedenza capacitiva e impedenza induttiva: Z = ; Z = jx ; Z = jx n forma equivalente: Z = 0 ; Z = X 90 ; Z = X 90 E12 mpedenze in serie: serie onsideriamo per prima la serie delle impedenze resistiva e capacitiva (FigE1a) Applicando in modo leggermente diverso dal solito il principio dei potenziali, possiamo dire che la tensione ai capi della serie è pari alla somma delle tensioni ai capi della resistenza e del condensatore; somma che deve essere vettoriale perché le due tensioni non sono in fase (una è in fase con la corrente mentre l altra è in ritardo di 90 sulla corrente, sempre assunta come riferimento) n notazione complessa: AB = = + OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

3 APPOFONDMENT D EETTOTENA 3 FGA E1 a) ircuito elementare ohmicocapacitivo; b) diagramma vettoriale delle tensioni; c) diagramma vettoriale delle impedenze A B a) b) c) Z X cui corrisponde la rappresentazione vettoriale in FigE1b Per la definizione delle impedenze resistiva e capacitiva: = jx = ( jx ) e due impedenze in serie sono pertanto equivalenti ad una impedenza che è la somma, qui vettoriale, delle due impedenze e prende il nome di impedenza ohmico - capacitiva: Z = jx avente modulo e argomento: X X Z = X ; ϕ = arctg = arctg Poiché i triangoli delle tensioni e delle impedenze sono simili (infatti il primo si ottiene moltiplicando per la corrente i lati del secondo), ϕ è anche l angolo di sfasamento tra tensione e corrente ome si vede dalla FigE1b, l angolo di sfasamento di ritardo è compreso tra 0 (corrispondente alla pura resistenza) e 90 (corrispondente alla pura capacità) isulta pertanto, in sintesi: = Z E13 mpedenze in serie: serie Per la serie delle impedenze resistiva e induttiva (FigE2a) valgono considerazioni del tutto analoghe Per il principio dei potenziali: AB = = + isulta la rappresentazione vettoriale in FigE2b, ricordando che la tensione ai capi della resistenza è in fase con la corrente circolante nella serie, e che la tensione ai capi dell induttore è sfasata di 90 in anticipo OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

4 APPOFONDMENT D EETTOTENA 4 A B ϕ Z ϕ X a) b) c) FGA E2 a) ircuito elementare ohmico-induttivo; b) diagramma vettoriale delle tensioni; c) diagramma vettoriale delle impedenze Per la definizione delle impedenze resistiva e induttiva: = + jx = ( + jx ) e due impedenze in serie sono pertanto equivalenti ad una impedenza che è la somma vettoriale delle due impedenze (FigE2c), e prende il nome di impedenza ohmico-induttiva: Z = + jx avente modulo e argomento: X Z = 2 + X 2 ; ϕ = arctg Poiché i triangoli delle tensioni e delle impedenze sono simili (infatti il primo si ottiene moltiplicando per la corrente i lati del secondo), ϕ è anche l angolo di sfasamento tra tensione e corrente ome si vede dalla FigE2b, l angolo di sfasamento di anticipo è compreso tra 0 (corrispondente alla pura resistenza) e 90 (corrispondente alla pura induttanza) isulta pertanto, in sintesi: = Z E14 mpedenze in serie: serie Anche per la serie delle tre impedenze (circuito, FigE3) si procede allo stesso modo Per il principio dei potenziali: AB = = + + OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

5 APPOFONDMENT D EETTOTENA 5 ϕ ϕ Z X X A B b) c) a) ϕ ϕ Z X X d) e) FGA E3 a) ircuito elementare ; b,c) diagramma vettoriale delle tensioni e delle impedenze nei circuiti prevalentemente induttivi; d,e) diagramma vettoriale delle tensioni e delle impedenze nei circuiti prevalentemente capacitivi isulta la rappresentazione vettoriale in FigE3b se la reattanza induttiva prevale su quella capacitiva, altrimenti in FigE3d nel caso contrario l caso del circuito serie prevalentemente induttivo è quello di gran lunga più frequente nel campo delle macchine elettriche Per la definizione delle impedenze: = + jx jx = ( + jx jx ) = [ + j(x X )] e tre impedenze in serie sono pertanto equivalenti ad una impedenza che è la somma vettoriale delle tre impedenze (FigE3c oppure FigE3e), e prende il nome di impedenza ohmico-induttiva-capacitiva: Z = + j(x X ) avente modulo e argomento: X X Z = 2 + (X X ) 2 ; ϕ = arctg Poiché i triangoli delle tensioni e delle impedenze sono simili (infatti il primo si ottiene moltiplicando per la corrente i lati del secondo), ϕ è anche l angolo di sfasamento tra tensione e corrente OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

6 APPOFONDMENT D EETTOTENA 6 Nei circuiti prevalentemente induttivi (FigE3d), la tensione è in anticipo di un angolo compreso tra 0 e 90, mentre nei circuiti prevalentemente capacitivi la tensione è in ritardo sulla corrente di un angolo compreso tra 0 e 90 (FigE3e) isulta pertanto, in sintesi: = Z Se in un circuito si verifica la condizione: X = X il circuito diventa puramente ohmico, ed oppone pertanto la minima resistenza al passaggio della corrente elettrica Questa condizione è detta di risonanza Per prefissati valori di capacità e induttanza, essa si instaura quando la pulsazione delle grandezze sinusoidali assume il valore: ω r = ω r = ω r che corrisponde ad una frequenza di risonanza: ω r 1 f r = = 2π 2π E15 mpedenze in parallelo onsideriamo per primo il parallelo resistenza-capacità (FigE4a) ed applichiamo la legge dei nodi: AB AB Z = = + = AB + = AB Z Z Z A A A B B B a) b) c) FGA E4 Varie disposizioni parallelo di impedenze OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

7 APPOFONDMENT D EETTOTENA 7 Si può pertanto definire una impedenza equivalente: Z = + Zeq = Z eq Z + Z che presenta la stessa forma matematica della resistenza equivalente a due resistenze in parallelo nel regime di correnti continue n maniera del tutto analoga, per il parallelo resistenza-induttanza (FigE4b) si dimostra: Z = + Zeq = Z eq Z + Z E per il parallelo capacità-induttanza (FigE4c): Z Z = + Zeq = Z eq Z Z Z + Z E16 mpedenze a stella e triangolo Nel caso le impedenze siano disposte a stella od a triangolo si possono dimostrare relazioni del tutto analoghe a quelle già viste in continua: al solito, la differenza è costituita dal fatto che le operazioni si applicano a grandezze vettoriali E17 Derivatori di corrente e partitore di tensione Valgono le stesse relazioni già dimostrate nel caso delle reti in continua, con la solita avvertenza che qui si tratta di grandezze vettoriali OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

8 APPOFONDMENT D EETTOTENA 8 E2 E, OMTATO EETTOTENO TAANO talian Electrotechnical ommittee l E è l organismo che si occupa della normazione e della unificazione nel settore elettrico e elettronico Opera dal 1909 ed è un Ente riconosciuto dallo Stato e dalla omunità Europea a legge n 186 del 1 marzo 1968 riconosce l autorità delle norme E e stabilisce che materiali, macchine, installazioni e impianti elettrici e elettronici realizzati con tali norme si considerano a regola d arte l E è rappresentante italiano dei principali organismi di normazione e certificazione internazionali: E, ENEE, GE e, tramite il ONT, partecipa all attività dell ETS, ente normatore europeo nel settore delle telecomunicazioni principali compiti del E sono: provvedere alla simbologia, alla nomenclatura, all'unificazione e alla normativa nel settore elettrotecnico; stabilire quali requisiti debbano avere gli impianti, i materiali, gli apparecchi, i macchinari, i circuiti, i processi e i loro programmi, affinché possano considerarsi rispondenti alla regola dell arte; studiare i problemi di carattere scientifico e tecnologico allo scopo di elaborare norme tecniche promuovendone la conoscenza e utilizzazione in talia; fissare criteri per il raggiungimento di adeguati livelli di sicurezza, affidabilità e qualità di prodotti e processi; fissare regole e procedure per prove e controlli di rispondenza alle norme tecniche; fissare criteri di valutazione ai fini del loro accreditamento da parte dei competenti organismi; promuovere e deliberare a livello internazionale l'armonizzazione delle norme in qualità di ente incaricato nella predisposizione di normative tecniche del settore elettrico; promuovere e favorire l'attività di certificazione OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

9 APPOFONDMENT D EETTOTENA 9 Struttura del E a Tabella E1 illustra la struttura del E TABEA E1 Struttura del E Soci promotori Soci di diritto Soci effettivi Soci aderenti Soci onorari Soci benemeriti ollegio dei probiviri Assemblea ollegio dei revisori dei conti ommissione Superiore Tecnica ONSGO OMTATO ESETVO ommissione Pianificazione e Programmazione omitati e sottocomitati ommissione ertificazione attività del E è svolta da omitati Tecnici e Sottocomitati Tecnici che si occupano di questioni specifiche Eccone alcuni di nostro diretto interesse: T 1/25: Terminologia, grandezze e unità T 2: Macchine rotanti T 3: Documentazione e segni grafici segni grafici : da E 3-14 a E 3-26 conformi a E 617; pneumatica e oleodinamica: E 3-30, E 3-31; schemi elettrici : E 3-32 e E 3-33; scritturazioni : E 3-34 T 44: Equipaggiamento elettrico delle macchine industriali scritturazioni: E 44-6 Struttura di una norma E na norma viene individuata da un titolo Ad esempio: E 3-30 fascicolo 732 (1985) segni grafici per impianti termoelettrici e nucleotermoelettrici l significato del titolo è: Norma numero 30 emessa dal omitato Tecnico numero 3, riportata sul fascicolo numero 732, avente per titolo Segni grafici OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

10 APPOFONDMENT D EETTOTENA 10 elazioni nternazionali l E partecipa a numerosi organismi internazionali nternational Electrotechnical ommission ostituito fin dal 1907 è l organismo che prepara norme tecniche (accomandazioni) su scala mondiale e raggruppa i paesi maggiormente industrializzati È infatti costituito dai omitati Elettrotecnici dalle principali nazioni, che raggruppano più dell 80% della popolazione mondiale e producono il 95% dell energia elettrica consumata l E partecipa attivamente all attività normativa della E tramite i propri rappresentanti all interno degli Organi Tecnici a normativa E serve da base per l elaborazione di norme e di regolamenti nazionali di oltre cento paesi, tra cui l talia Sistema E di certificazione della qualità dei componenti elettronici È un emanazione della E che agisce in modo autonomo e alla quale partecipano i Paesi della E interessati alla certificazione dei componenti elettronici Sono interessati 24 Paesi ognuno con un proprio Ente di certificazione indipendente che opera sulle basi degli Statuti e di vari egolamenti di Procedura per il riconoscimento reciproco della certificazione dei componenti Système E d essais de conformité aux normes de sécurité de l equipment électrique È l organismo che, operando su scala mondiale, stabilisce le regole per la certificazione dei prodotti elettrotecnici, in particolare per la sicurezza di quei prodotti destinati all uso degli utenti non avvertiti a EEE gestisce un sistema di riconoscimento dei certificati rilasciati dagli istituti che ne fanno parte per garantire la corrispondenza alle norme l E è membro della EEE ed agisce per la certificazione tramite l stituto taliano del Marchio di Qualità (MQ) OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

11 APPOFONDMENT D EETTOTENA 11 (omité Européen de Normalisation Electrotecnique) È l Ente europeo che ha il compito di preparare normative riguardanti il settore elettrotecnico che facilitino e rendano possibile lo scambio di mezzi e servizi obiettivo primario è quello di creare un unico corpo di norme (norme EN, obbligatorie per i paesi membri) necessarie per il mercato unico europeo È costituito dai omitati Elettrotecnici nazionali di Austria, Belgio, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, nghilterra, rlanda, slanda, talia, ussemburgo, Norvegia, Olanda, Portogallo, Spagna, Svezia, Svizzera Sono inoltre membri affiliati i omitati nazionali di epubblica eca, Polonia, omania, Slovenia, Turchia e ngheria l E partecipa con i propri rappresentanti ai omitati di Direzione e Tecnici Nella legge si stabilisce la validità di legge alle norme enelec (Norme EN) European electrotechnical committee for testing and certification È l organismo costituito dal ENEE con lo scopo di coordinare l attività di certificazione, facendo in modo che i marchi di certificazione, le prove, le ispezioni e i verbali di valutazione della qualità siano rilasciati e accettati su una base di parità in tutti i paesi dell Europa occidentale enelec Electronic omponents ommittee È un emanazione del ENEE che si occupa della normazione e della certificazione dei componenti elettronici nel campo europeo e del mutuo riconoscimento dei risultati di prova, con l apposizione finale di un marchio unico onfèrence nternationale des Grandes eseaux Electriques à Haute Tension È l organismo che si occupa degli studi statistici più avanzati e dei problemi connessi con l energia delle centrali elettriche e dei macchinari relativi a igre è un organismo mondiale al quale partecipano 63 Paesi Associazione Europea dei Veicoli Elettrici Stradali Questa associazione ha lo scopo di promuovere l utilizzazione dei veicoli elettrici o ibridi destinati al traffico stradale OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE

12 APPOFONDMENT D EETTOTENA 12 È il terzo ente normatore europeo (in aggiunta a EN e ENEE) e si occupa del settore delle Telecomunicazioni l coordinamento fra i tre enti è effettuato dall T- ST Tutte le attività tecniche di questo settore, svolte precedentemente dalla EPT, sono state trasferite all ETS (eccetto la regolamentazione dell assegnazione delle frequenze, che rimane alle Amministrazioni statali) o scopo principale dell ETS è quello di sviluppare e pubblicare norme europee di telecomunicazioni (norme volontarie ETS) Queste norme vengono poi trasferite alle organizzazioni nazionali per la loro trasposizione a livello nazionale OESHE EDTOE SSTEM ED ATOMAZONE NDSTAE