Anno Accademico CORSI DI LAUREA IN INGEGNERIA CHIMICA

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1 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM Anno Accademico CORSI DI LAUREA IN INGEGNERIA CHIMICA Diario delle Lezioni di Elettrotecnica del prof. ing. Giulio Fabricatore N. DATA ARGOMENTI delle LEZIONI ORE / TOT 1 LUN Presentazione del corso 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 condensatore: capacità e capacità mutua; MERC Capacità di alcuni condensatori tipici Rigidità dielettrica: valori tipici per alcuni materiali caratteristici Limiti pratici allo spessore del dielettrico nei condensatori La corrente elettrica; conduttori e isolanti. La corrente elettrica stazionaria; campo densità di corrente e sue proprietà Prima legge costitutiva: legge di Ohm alle grandezze specifiche Resistività e sua unità di misura Legge di Joule alle grandezze specifiche Considerazioni energetiche sul circuito semplice in regime stazionario: il generatore di f.e.m. Campo elettromotore: il caso della pila a piombo-acido Capacità della pila e sua dipendenza dal regime di scarica GIOV Resistenza elettrica Resistività e temperatura; coefficiente di temperatura Modello filiforme Prima formulazione della legge di Ohm ai valori integrali Classificazione dei materiali in base alla resistività: valori tipici di resistività e coefficiente termico per materiali caratteristici La misura della corrente: l amperometro ideale Dimensioni elettriche e frequenza di funzionamento: parametri concentrati Bipoli: definizioni e convenzioni grafiche. Il bipolo resistore e la sua caratteristica grafica. Bipoli e loro classificazione: tipi, caratteristiche e convenzioni grafiche. Bipoli fondamentali: resistore, cortocircuito e circuito aperto ideali, generatore di f.e.m., 6 4 LUN Bipolo generatore ideale di corrente Circuiti e reti: struttura geometrica; lati e nodi Equivalenza fra bipoli Circuito semplice: bilancio delle potenze. Convenzioni sui bipoli: convenzione del generatore e convenzione dell utilizzatore Prime nozioni sui collegamenti fra bipoli: serie e parallelo Generatori reali di tensione: resistenza interna Generatore reale di f.e.m.: condizione di massimo rendimento e massima potenza trasferita al carico (adattamento). 8 5 MERC Generatore reale di f.e.m.: condizione di massima potenza trasferita al carico (adattamento del carico). Analisi delle reti: considerazioni topologiche; lati, maglie e anelli, albero e coalbero 1

2 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM Il regime di funzionamento di una rete e sua unicità : risoluzione di una rete Leggi di Kirchhoff: modello matematico di una rete Applicazione delle leggi di Kirchhoff a un "frammento" di rete Resistori in serie: resistenza equivalente; partitore di tensione: potenziometro e reostato 10 6 GIOV Equivalenza fra N-poli; il caso di N = 3; stella e triangolo di resistori: formule di trasformazione Generatore reale di tensione: caratteristica complessiva esterna : tensione a vuoto e corrente di cortocircuito Corollari delle leggi di Kirchhoff: - non amplificazione delle tensioni - non amplificazione delle correnti Potenze virtuali e loro conservazione (principio di Tellegen) Esempi numerici di applicazione delle leggi di Kirchhoff: risoluzione di reti elettriche 1 7 LUN Resistori in parallelo: resistenza equivalente; partitore di corrente Calcolo di potenze e verifica della conservazione delle potenze Equivalenza fra generatori reali di tensione e generatori reali di corrente Verifica della conservazione delle potenze virtuali (esempio applicativo) Linearità delle reti e sovrapposizione degli effetti; esempio applicativo. Teorema di Thévenin : enunciato e sua utilità applicativa. Cenno al teorema di Norton (enunciato) 14 8 MERC Esempio numerico sul teorema di Thévenin Metodi abbreviati per la risoluzione delle reti elettriche: logica di base e ricorso alle incognite ausiliarie Metodo delle correnti di maglia ( o di circolazione): logica del metodo Metodo delle correnti maglia: esempio applicativo Scrittura delle equazioni "per ispezione" Esempio applicativo con generatori di corrente 16 9 GIOV Metodo delle correnti di maglia: riduzione dei generatori di corrente a generatori di tensione Metodo dei potenziali nodali: logica del metodo Esempi numerici sul metodo dei potenziali nodali Scrittura delle equazioni "per ispezione". Formula di Millmann Doppi bipoli: definizioni e caratterizzazione formale Equivalenza fra doppi bipoli Matrice R : definizioni dei parametri costitutivi e proprietà Analisi del doppio bipolo a T e sintesi di un doppio bipolo qualsiasi a partire dalla sua matrice R Matrice G : definizioni dei parametri costitutivi e proprietà Sintesi di un doppio bipolo generico a partire dalla sua matrice G Matrice di trasmissione (o T ): definizione, calcolo dei parametri e considerazioni applicative LUN 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) conduttore filiforme, b) conduttore massiccio, c) lamina di corrente Flusso di induzione magnetica concatenato con un circuito 0 Flusso auto concatenato e coefficiente di autoinduzione (induttanza) di un circuito Circuiti mutuamente accoppiati Coefficiente di mutua induzione (induttanza mutua)

3 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM Convenzioni grafiche per i circuiti mutuamente accoppiati L induzione elettromagnetica, il campo elettromotore e la forza elettromotrice indotta (legge di Lenz) Unità di misura Reti in regime sinusoidale Le ragioni applicative del regime sinusoidale: qualche anticipazione sul trasformatore e la sua funzione; confronto fra reti in corrente continua e in alternata. Cenni alla guerra delle correnti 11 MERC Grandezze caratteristiche: valore medio nel semiperiodo e valore efficace; fattore di forma per una grandezza sinusoidale Legge di Ohm ai valori istantanei: relazioni costitutive per i bipoli fondamentali Richiami di algebra complessa: 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; la scelta del riferimento per le fasi Operazioni fra sinusoidi trasformate in fasori; 1 GIOV Convenzioni sugli angoli (di ritardo e/o anticipo) Legge di Ohm in forma fasoriale; reattanza, suscettanza, impedenza e ammettenza Argomento dell impedenza Calcolo di impedenze equivalenti. Potenze in regime sinusoidale: istantanea, attiva, reattiva, apparente e relative unità di misura Potenze assorbite da R, L e C. Potenza complessa Conservazione della potenza complessa (teorema di Boucherot) 4 13 LUN Osservazioni sulle potenze: dati identificativi di un carico Osservazioni sul fattore di potenza (cos φ) Strumenti in c. a.: voltmetro, amperometro. Wattmetro: indicazione e significato fisico Cenni ai componenti reali : parametri parassiti Esempi numerici di risoluzione di reti in regime sinusoidale 6 14 MERC GIOV Calcolo di potenze Reti con generatori a frequenza diversa: soluzione mediante applicazione del principio di sovrapposizione Carichi a basso cosϕ: natura del problema e rimedio (il rifasamento) Rifasamento: determinazione del condensatore di rifasamento Esempi numerici di risoluzione di reti in regime sinusoidale Generatore reale di tensione: adattamento di impedenza Elementi di analisi in frequenza: risonanza serie R-L-C e pulsazione di risonanza Risonanza serie R-L-C: Z(ω), I(ω), ϕ(ω) fattore di merito: aspetti positivi e rischi della risonanza Risonanza parallelo Tracciamento qualitativo della risposta in frequenza di semplici filtri del 1 ordine (RC, RL) Doppi bipoli in regime sinusoidale: matrici di impedenze o di ammettenze Altri esempi numerici di risoluzione di reti in regime sinusoidale RETI TRIFASI Definizioni preliminari: sistema polifase simmetrico

4 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM LUN Genesi di una rete trifase Sistema trifase simmetrico ed equilibrato Carichi in parallelo: unicità del centro stella Tensioni stellate e concatenate, correnti di linea Vantaggi delle linee trifasi Funzione del Neutro nella distribuzione in bassa tensione: accessibilità delle tensioni stellate Reti a triangolo: correnti di lato; triangolo delle correnti Potenze trifasi; cosϕ 3 17 MERC Misura della potenza attiva trifase; metodo Aron Esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche ed equilibrate Considerazioni sull approccio operativo all analisi di reti trifasi simmetriche ed equilibrate: riferimenti ad alcune tipologie comuni Altri esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche ed equilibrate LUN Rifasamento di carichi trifasi simmetrici ed equilibrati Esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche e squilibrate Il vettore spostamento centro stella e il suo calcolo mediante la formula di Millmann Ancora sul ruolo del neutro, per garantire la costanza delle tensioni stellate 19 MERC Esempio numerico sullo spostamento del centro stella 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 Ordine di una rete e numero di componenti a memoria (L e C) Reti del I ordine: esempio applicativo GIOV Reti del I ordine: esempî applicativi Linearità e stato non nullo Altri esempi su reti del primo ordine Reti del II ordine: esempî applicativi: circuito oscillante uscita cisoidale Discontinuità: gradino, impulso (definizioni) 40 1 LUN Proprietà di campionamento dell impulso Relazione gradino - impulso; impulsi di ordine inferiore o superiore Funzione risposta al gradino unitario g(t) e all impulso unitario h(t) Esempî applicativi per la determinazione di g(t) ed h(t) Integrale di convoluzione: dimostrazione ed esempio applicativo 4 MERC 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 Funzione di trasferimento: esempio applicativo Applicazioni dell induzione elettromagnetica: anticipazioni sul principio di funzionamento del trasformatore e suo impiego nella trasmissione dell energia elettrica 44 4

5 3 GIOV ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM F.e.m. dovuta a movimento: principio del generatore; campo elettromotore di Lorentz Effetti ponderomotori; sforzi elettrodinamici; strizione magnetica Coppia su una spira rotante Principio di conversione elettromeccanica 46 Energia magnetica associata a circuiti percorsi da corrente Energia magnetica specifica Ferromagnetismo: curva di magnetizzazione e ciclo di isteresi Isteresi e perdite per isteresi Classificazione dei materiali ferromagnetici: soft, hard, ferriti Riluttanza magnetica 4 LUN Reti magnetiche; leggi di Hopkinson Riluttanza magnetica complessa; corrente attiva e corrente magnetizzante Elettromagneti: tipi e applicazioni; il relè Cenni al progetto dell elettromagnete: il problema diretto e quello inverso Reti magnetiche a permeabilità elevatissima: conseguenze e vantaggi Cenni alle perdite per correnti parassite; nuclei a lamierini 48 IL TRASFORMATORE Flussi medi di auto e mutua induzione Accoppiamento perfetto 5 MART Relazioni costitutive per il doppio bipolo circuiti ad accoppiamento perfetto Reti equivalenti per circuiti perfettamente accoppiati; corrente magnetizzante Il trasformatore ideale Proprietà del trasformatore ideale: trasparenza alle potenze e traslazione delle impedenze Reti equivalenti per circuiti non perfettamente accoppiati Circuiti accoppiati su ferro: ipotesi semplificative Trasformatore reale: rimozione delle ipotesi semplificative Flussi dispersi e resistenza degli avvolgimenti: parametri longitudinali Corrente a vuoto e parametri trasversali Rete equivalente completa e reti semplificate; impedenza di cortocircuito Corrente a vuoto distorta effettiva e corrente a vuoto sinusoidale equivalente Funzione del trasformatore nella trasmissione e nella distribuzione dell energia elettrica 50 6 GIOV Caratteristiche costruttive del trasformatore: nucleo avvolgimenti, raffreddamento Grandezze nominali: tensioni e correnti (primarie e secondarie); potenza apparente Funzionamento sotto carico: tensioni e correnti Rendimento convenzionale Misura del rendimento: prova a vuoto: determinazione della potenza perduta nel ferro e determinazione dei parametri trasversali LUN _ prova in cortocircuito: determinazione della potenza perduta nel rame e determinazione dei parametri longitudinali Condizione di massimo rendimento Rendimento giornaliero Cenni ai trasformatori trifasi; gruppo Parallelo dei trasformatori: condizioni per il corretto parallelo Caduta di tensione del trasformatore Trasformatore separatore Autotrasformatore: principio di funzionamento, convenienza economica e precauzioni d uso 54 8 MERC Trasformatori di misura: specifiche, errori, prestazione Trasformatore di corrente (TA) 5

6 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM _ Trasformatore di tensione (TV) MOTORE ASINCRONO: Principio di funzionamento Scorrimento Curve di campo di un avvolgimento monofase a) concentrato, b) distribuito Fattore di avvolgimento Campo pulsante e sua scomposizione 56 9 GIOV _ Velocità di sincronismo Campo rotante netto di un avvolgimento bifase e di uno trifase Velocità di sincronismo e numero di coppie polari Senso di rotazione e successione delle fasi Caratteristiche costruttive: statore, rotore, cave, raffreddamento Velocità relativa e frequenza delle grandezze rotoriche Tensione, corrente e fattore di potenza rotorici LUN Resistenza fittizia e 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 motore asincrono: Ad anelli (con reostato di avviamento) A gabbia semplice A doppia gabbia MERC A cave profonde Cenni alla regolazione della velocità Cenni alla frenatura: a) a controcorrente, b) supersincrona, c) dinamica Il motore asincrono monofase: caratteristica meccanica Accorgimenti per l avviamento del motore asincrono monofase: a sdoppiamento di fase e a poli tagliati 6 3 GIOV MACCHINA A CC (a collettore) Principio di funzionamento: collettore, f.e.m. istantanea Ondulazione residua e numero di lamelle. F.e.m. media della dinamo: equazione fondamentale della macchina a cc Posizione angolare delle spazzole e valore della f.e.m. media Caratteristiche costruttive: statore, rotore (o indotto, o armatura), collettore, spazzole Dinamo a vuoto: l'anello di Pacinotti. Curva di campo e f.e.m. alle spazzole; asse neutro LUN MERC Indotto a tamburo: asse neutro Macchina multipolare: collegamenti possibili e vantaggi Dinamo sotto carico: reazione d'armatura, conseguenze e rimedi (avvolgimento compensatore) 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 66 6

7 ELETTROTECNICA (Chimici) Diario delle lezioni - II SEM Modello ed equazioni generali della macchina a collettore Coppia elettromagnetica (resistente oppure motrice) Motore 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 a eccitazione indipendente e autoeccitato in derivazione GIOV LUN Cenni alla caratteristica meccanica del motore autoeccitato in serie; applicazioni per la trazione elettrica 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 e tolleranza; zona di lettura preferenziale della scala Principio di funzionamento, caratteristiche e utilizzazione degli strumenti Strumenti magnetoelettrici (a bobina mobile): amperometro e galvanometro, voltmetro. Strumenti a ferro mobile Strumenti elettrodinamici: amperometro Strumenti elettrodinamici: voltmetro Wattmetro elettrodinamico: funzionamento, errori di autoconsumo e d angolo CENNI AGLI IMPIANTI ELETTRICI Sovratensioni e sovracorrenti: tipi e cause. Rischio incendio Gli elettromagneti (relè) come apparecchi di manovra e protezione (il relè a massima corrente) relè termici e magnetotermici: descrizione e caratteristiche di intervento Fusibili e curva di intervento a tempo inverso Relè differenziale: principio di funzionamento, tipi, sensibilità e modalità di impiego MERC VISITA ALLA SALA MACCHINE E ALLA SALA ALTA TENSIONE DEL DIETI 74 ORE TOTALI 74 7