Diario dei Corsi di Elettrotecnica e di Complementi di Elettrotecnica

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1 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM UNIVERSITÀ DI NAPOLI FEDERICO II - FACOLTÀ DI INGEGNERIA Anno Accademico CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CHIMICA N37 Diario dei Corsi di Elettrotecnica e di Complementi di Elettrotecnica del prof. ing. Giulio Fabricat N. DATA ARGOMENTI delle LEZIONI ORE 1 LUN Richiami di elettromagnetismo: Regime stazionario o quasi stazionario : disaccoppiamento delle equazioni di Maxwell Campo elettrico stazionario e sue proprietà; unità di misura Tensione elettrica e differenza di potenziale: convenzioni grafiche Voltmetro ideale e convenzioni grafiche Il condensat: capacità e capacità mutua; capacità di alcuni condensatori tipici La corrente elettrica stazionaria; campo densità di corrente Legge di Ohm alle grandezze specifiche Resistività e sua unità di misura MERC Proprietà del campo densità di corrente Legge di Joule alle grandezze specifiche Modello filiforme Amperometro ideale Dimensioni elettriche e frequenza Corrente stazionaria: il generat di f.e.m. Campo elettromot: il caso della pila a piombo-acido Pile e accumulatori; capacità della pila Resistenza elettrica Legge di Ohm ai valori integrale Bipoli: definizioni e convenzioni grafiche. Il bipolo resist e la sua caratteristica grafica.. 3 GIOV Bipoli e loro classificazione: tipi, caratteristiche e convenzioni grafiche Bipoli fondamentali: resist, generat di f..e.m. e di corrente, cortocircuito e circuito aperto ideali Circuiti e reti: struttura geometrica; lati e nodi. Circuito semplice: bilancio delle potenze. Convenzioni sui bipoli: convenzione del generat e convenzione dell utilizzat Resistività e temperatura; coefficiente di temperatura Valori tipici di resistività e coefficiente termico per materiali caratteristici. Generatori reali di tensione: resistenza interna e caratteristica esterna; 4 LUN Generat reale di f.e.m.: massimo rendimento e massima potenza trasferita al carico (adattamento). Analisi delle reti: considerazioni topologiche; lati, maglie e anelli Leggi di Kirchhoff. Applicazione delle leggi di Kirchhoff a un "frammento" di rete Equivalenza fra bipoli Resistori in serie: resistenza equivalente; partit di tensione Resistori in parallelo: resistenza equivalente 5 MERC Partit di corrente Equivalenza fra N-poli; il caso di N = 3; stella e triangolo di resistori: formule di trasformazione 1

2 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM Esempi numerici di applicazione delle leggi di Kirchhoff Calcolo di potenze e verifica della conservazione delle potenze. Equivalenza fra generatori reali di tensione e generatori reali di corrente. Corollari delle leggi di Kirchhoff: non amplificazione delle tensioni non amplificazione delle correnti conservazione delle potenze virtuali (principio di Tellegen). 6 GIOV LUN MERC GIOV LUN Linearità delle reti e sovrapposizione degli effetti; esempio applicativo. Tema di Thévenin e sua utilità applicativa: esempio numerico sul tema di Thévenin. Cenno al tema di Norton (enunciato) Metodi abbreviati per la risoluzione delle reti elettriche: logica di base Metodo delle correnti di maglia ( o di circolazione) Esempio applicativo Esempio applicativo con generatori di corrente Scrittura delle equazioni" per ispezione" Riduzione dei generatori di corrente a generatori di tensione. Metodo dei potenziali nodali Esempi numerici sul metodo dei potenziali nodali Scrittura delle equazioni "per ispezione". Formula di Millmann. Doppi bipoli: matrici R, G e di trasmissione; definizione e calcolo dei parametri Equivalenza fra doppi bipoli e sintesi del doppio bipolo (cenni) Brevi richiami di magnetostatica Campo di induzione magnetica B e sue proprietà Campo magnetico H e relazione costitutiva Il campo di induzione magnetica in alcuni casi significativi: a) condutt filiforme, b) condutt massiccio, d) lamina di corrente Flusso di induzione magnetica concatenato con un circuito Flusso auto concatenato e coefficiente di autoinduzione (induttanza) di un circuito Circuiti mutuamente accoppiati Coefficiente di mutua induzione (induttanza mutua) Convenzioni grafiche per i circuiti mutuamente accoppiati L induzione elettromagnetica, il campo elettromot e la forza elettromotrice indotta (legge di Lenz) Unità di misura Reti in regime sinusoidale Grandezze caratteristiche: val medio nel semiperiodo e val efficace; fatt di forma Legge di Ohm ai valori istantanei: relazioni costitutive per i bipoli fondamentali Richiami sui numeri complessi: definizioni, operazioni fondamentali, rappresentazione geometrica sul piano complesso e formula di Eulero; modulo e argomento di un numero complesso Metodo fasoriale (o simbolico o di Steinmetz) Esempi numerici di trasformazione di sinusoidi in fasori Operazioni fra sinusoidi trasformate in fasori Legge di Ohm in forma fasoriale; reattanza, suscettanza, impedenza e ammettenza Calcolo di impedenze equivalenti. Potenze in regime sinusoidale; potenze assorbite da R, L e C. Potenza complessa e sua conservazione (tema di Boucherot)

3 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM Strumenti in c. a.: voltmetro, amperometro e wattmetro. 11 MERC Cenni ai componenti reali : parametri parassiti Esempi numerici di risoluzione di reti in regime sinusoidale Calcolo di potenze Generat reale di tensione: adattamento di impedenza 1 GIOV Reti con generatori a frequenza diversa: applicazione del principio di sovrapposizione Carichi a basso cosϕ: natura del problema e rimedio. Il rifasamento Elementi di analisi in frequenza: risonanza serie: Z(ω), I(ω), ϕ(ω) fatt di merito aspetti positivi e rischi della risonanza 13 LUN risonanza parallelo Risposta in frequenza di semplici filtri: R-C, R-L Doppi bipoli in regime sinusoidale: matrici di impedenze o di ammettenze RETI TRIFASI Definizioni preliminari: sistema polifase simmetrico Genesi di una rete trifase Sistema trifase simmetrico ed equilibrato Tensioni stellate e concatenate, correnti di linea Funzione del Neutro nella distribuzione in bassa tensione Unicità del centro stella Reti a triangolo: correnti di lato; triangolo delle correnti 14 GIOV Potenze trifasi; cosϕ Vantaggi delle linee trifasi Misura della potenza attiva trifase; metodo Aron Esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche ed equilibrate 15 LUN Rifasamento di carichi trifasi simmetrici ed equilibrati Esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche e squilibrate Il vett spostamento centro stella e il suo calcolo mediante la formula di Millmann Ancora sul ruolo del neutro RETI IN REGIME DINAMICO Generalità, relazioni costitutive ai valori istantanei; Modello della rete in regime dinamico; soluzione della rete e condizioni iniziali; evoluzione libera ed evoluzione forzata; luogo delle radici Linearità e stato non nullo 16 MERC Ordine di una rete Reti del I ordine: esempî numerici 17 GIOV Reti del II ordine: esempî numerici. Circuito oscillante. Uscita cisoidale. Discontinuità: gradino, impulso Proprietà di campionamento dell impulso Relazione gradino - impulso; impulsi di ordine inferi o superi. 18 LUN Funzione risposta al gradino unitario g(t) e all impulso unitario h(t): esempî applicativi Integrale di convoluzione: dimostrazione ed esempio applicativo 3

4 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM Trasformata di Laplace: definizione e proprietà fondamentali; antitrasformata. Esempî di applicazione della L-trasformata per l analisi di reti di regime dinamico. Impedenza operatoriale; caso di reti non a riposo Funzione di trasferimento di una rete: definizione ed utilità operativa 19 MERC Funzione di trasferimento: esempio applicativo Applicazioni dell induzione elettromagnetica: principio di funzionamento del trasformat e suo impiego F.e.m. dovuta a movimento: principio del generat; campo elettromot di Lntz. Effetti ponderomotori; sforzi elettrodinamici; strizione magnetica, Coppia su una spira rotante. Principio di conversione elettromeccanica Energia magnetica associata a circuiti percorsi da corrente Energia magnetica specifica Ferromagnetismo: curva di magnetizzazione e ciclo di isteresi 0 GIOV Isteresi e perdite per isteresi Classificazione dei materiali ferromagnetici: soft, hard, ferriti Riluttanza magnetica Reti magnetiche; leggi di Hopkinson Reti magnetiche a permeabilità elevatissima: conseguenze e vantaggi Elettromagneti: tipi e applicazioni; il relè Cenni al progetto dell elettromagnete: il problema diretto e quello inverso 1 LUN Cenni alle perdite per correnti parassite; nuclei a lamierini Cenni all'effetto pelle Riluttanza magnetica complessa; corrente attiva e corrente magnetizzante IL TRASFORMATORE Flussi medi di auto e mutua induzione Accoppiamento perfetto Reti equivalenti per circuiti perfettamente accoppiati; corrente magnetizzante Il trasformat ideale MERC Proprietà del trasformat ideale: trasparenza alle potenze e traslazione delle impedenze Reti equivalenti per circuiti non perfettamente accoppiati Circuiti accoppiati su ferro: ipotesi semplificative Trasformat reale: rimozione delle ipotesi semplificative. Corrente a vuoto e parametri trasversali. Flussi dispersi e resistenza degli avvolgimenti: parametri longitudinali. Rete equivalente completa e reti semplificate; impedenza di cortocircuito Corrente a vuoto distorta effettiva e corrente a vuoto sinusoidale equivalente 3 GIOV Caratteristiche costruttive del trasformat: nucleo, avvolgimenti, raffreddamento Grandezze nominali: tensioni e correnti (primarie e secondarie); potenza apparente Rendimento convenzionale e condizione di massimo rendimento Misura del rendimento: prova in cortocircuito prova a vuoto 4 LUN determinazione dei parametri longitudinali e trasversali Rendimento giornaliero Cenni ai trasformatori trifasi; gruppo Parallelo dei trasformatori: condizioni per il corretto parallelo Caduta di tensione del trasformat Autotrasformat: principio di funzionamento, convenienza economica e precauzioni d uso 4

5 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM GIOV SAB LUN MERC Trasformat separat Trasformatori di misura: specifiche, errori, prestazione Trasformat di corrente (TA) Trasformat di tensione (TV) MOTORE ASINCRONO: Principio di funzionamento Scorrimento Curve di campo di un avvolgimento monofase a) concentrato, b) distribuito Fatt di avvolgimento Campo pulsante e sua scomposizione Velocità di sincronismo Campo rotante netto di un avvolgimento bifase e di uno trifase ESERCITAZIONE STRAORDINARIA Velocità di sincronismo e numero di coppie polari Senso di rotazione e successione delle fasi Caratteristiche costruttive: stat, rot, cave, raffreddamento Velocità relativa e frequenza delle grandezze rotoriche Tensione, corrente e fatt di potenza rotorici. Frequenza rotorica Resistenza fittizia e rete equivalente complessiva Rete equivalente "complessiva" Cenni al bilancio delle potenze. Coppia e caratteristica meccanica; Analisi della caratteristica meccanica: tratto stabile e tratto instabile scorrimento di coppia massima Avviamento del mot asincrono: Ad anelli (con reostato di avviamento) A gabbia semplice A doppia gabbia. A cave profonde Cenni alla regolazione della velocità GIOV Cenni alla frenatura Altri impieghi del mot asincrono: a) variat di fase, b) regolat di tensione a induzione Il mot asincrono monofase: caratteristica meccanica Avviamento a sdoppiamento di fase e a poli tagliati MACCHINA A CC (a collett) Principio di funzionamento: collett, f.e.m. istantanea Ondulazione residua e numero di lamelle. 30 LUN F.e.m. media della dinamo: equazione fondamentale della macchina a cc Posizione angolare delle spazzole e val della f.e.m. media Caratteristiche costruttive: stat, rot (o indotto, o armatura), collett, spazzole Dinamo a vuoto: l'anello di Pacinotti. Curva di campo e f.e.m. alle spazzole; asse neutro 5

6 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM Indotto a tamburo: asse neutro 31 MERC GIOV LUN MERC GIOV LUN Macchina multipolare: collegamenti possibili e vantaggi Dinamo sotto carico: reazione d'armatura, conseguenze e rimedi (avvolgimento compensat) Cenni alla commutazione: - natura del problema - effetti, rischi e rimedi (poli ausiliari di commutazione) Sistemi di eccitazione della macchina a c.c.: eccitazione indipendente ed autoeccitazione; autoeccitazione in derivazione Autoeccitazione serie e composta Schema equivalente complessivo ed equazioni descrittive della macchina a collett Coppia elettromagnetica (resistente oppure motrice) Caratteristiche delle dinamo: a) a vuoto, b) di carico, c) esterna, d) di regolazione Mot a c.c. principio di funzionamento Senso di rotazione e tipo di eccitazione Reazione di armatura e commutazione F.c.e.m. e reostato di avviamento Caratteristiche dei motori: generalità caratteristica elettromeccanica della velocità: n=n(i s ) [ovvero I s =I s (n)] caratteristica elettromeccanica della coppia: C=C(I s ) [ovvero I s =I s (C)] caratteristica meccanica: n=n(c) [ovvero C=C(n)] Cenni all avviamento e alla regolazione di velocità MISURE ELETTRICHE: Generalità e classificazioni Errori e loro cause più comuni Autoconsumo (dell amperometro e del voltmetro) Qualità degli strumenti; classi di precisione Specifiche degli strumenti Principio di funzionamento, caratteristiche e utilizzazione degli strumenti Strumenti magnetoelettrici (a bobina mobile): amperometro e galvanometro, voltmetro. Strumenti a ferro mobile Aumenti di portata: shunt e partit di tensione Strumenti elettrodinamici: amperometro, voltmetro Wattmetro elettrodinamico; errori di autoconsumo e d angolo Cenni agli strumenti a induzione Strumenti con raddrizzatori Strumenti digitali: principio di funzionamento del voltmetro a rampa. Risoluzione e frequenza di clock Principio di funzionamento dell amperometro digitale IMPIANTI ELETTRICI Centrali di produzione, tipologie e problemi connessi; cenni alle fonti alternative 6

7 37 GIOV LUN MERC ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM Linee di trasmissione: materiali, disposizioni, supporti. Isolatori. Schemi unifilari Sovratensioni e sovracorrenti: tipi e cause Cenni all effetto corona Apparecchi di manovra e protezione: interruttori, contattori e sezionatori Scaricatori Relé amperometrici, voltmetrici, termici, magnetotermici: descrizione e curve di intervento Fusibili Coordinamento delle protezioni: coordinamento orizzontale e verticale Relé differenziale: principio di funzionamento, tipi, sensibilità e modalità di impiego Cabine di distribuzione: tipologie e raggio di azione Cenni al calcolo di progetto e di verifica delle reti di distribuzione in b.t.: reti aperte e reti chiuse Cavi e conduttori, isolanti, codice dei colori, modalità di posa e portata Cenni ai gradi di protezione degli involucri (IP) e alle Apparecchiature Assiemate per Cantiere (ASC) CENNI DI SICUREZZA ELETTRICA: prime nozioni. Impianto elettrico e rischio incendio Effetti della corrente sul corpo umano. Tipi di contatto (diretto, indiretto) Tipi di isolamento Classi degli apparecchi elettrici. Protezioni contro il contatto indiretto: senza interruzione dell'alimentazione (locali isolanti, locali conduttori, separazione elettrica, doppio isolamento) con interruzione dell'alimentazione (impianto di terra coordinato col relè di max corrente o col relè differenziale). Protezioni contro il contatto diretto: passive (distanziamenti) o attive (relè differenziale o impianti BTS o BTF) Cenni ai rischi dell'elettricità statica. Cenni ai gruppi di continuità (o UPS = Uninterruptible Power Supply). Cenni alle prescrizioni sull'alimentazione e sulla illuminazione di sicurezza. Impianto di terra: scopi, struttura Resistenza di terra Tensione di passo Modalità di utilizzazione a scopo di protezione; Coordinamento con gli interruttori a massima corrente Coordinamento con il relé differenziale ORE TOTALI 78 7