Domande teoriche - Principi di sistemi elettrici

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1 Domande teoriche - Principi di sistemi elettrici 1. Descrivere la struttura delle reti elettriche di trasmissione e distribuzione dell energia elettrica in alta, media e bassa tensione. La rete elettrica è suddivisa in 4 gruppi principali: Produzione, Trasformazione, Trasmissione e Distribuzione. La Produzione dell energia elettrica avviene in centrali di varia natura (Idroelettriche, Termoelettriche, Turbogas, Eolica, Biomasse, Solare) a una tensione non troppo elevata per problemi di isolamento degli alternatori. La Trasformazione avviene in diversi punti della rete, in modo da mantenere in ogni sezione valori di corrente e tensione opportuni. Dalla produzione a 20kV si passa alle linee primarie in AAT (380kV), successivamente alle secondarie a 132 kv, poi alle linee di distribuzione a 20kv e infine alle tensioni normalmente utilizzate da 220/380V. La Trasmissione è suddivisa in linee primarie, che coprono grandi distanze e costituiscono le dorsali della rete, e secondarie, che smistano dalle dorsali alle stazioni di trasformazione 132/20 kv. Alle linee secondarie sono collegati i primi carichi (es. industrie energivore). La Distribuzione è l ultima fase del trasporto dell energia, infatti consiste nelle linee di MT e BT che collegano rispettivamente le stazioni alle cabine di trasformazione e le cabine agli utenti finali. 2. Descrivere il teorema del massimo trasferimento di potenza in una rete elettrica in corrente continua. I generatori reali non sono in grado di fornire potenze infinite come i generatori ideali, dovuto alla presenza di una resistenza interna al generatore stesso. In queste condizioni esiste una particolare Rl che assorbe la massima potenza disponibile erogata dal generatore con resistenza interna Rt. Il bipolo Attivo (Generatore) può essere rappresentato con l equivalente di thevenin, in modo da avere P = R I ' = R ( ) *+, *+ -, )'. La massima potenza trasferibile è ottenuta quando la resistenza del carico è uguale alla resistenza di thevenin vista dal carico, ovvero: ' P /01 = V 34 4R Descrivere la potenza complessa nel dominio dei fasori in un bipolo elettrico e verificare la dipendenza dal triangolo delle impedenze. Dati i valori di v t = v / cos(ωt + φ >) e i t = i / cos(ωt + e assumendo φ > = 0 P t = v t i t = v / cos(ωt) i / cos(ωt + φ) 1

2 per le formule di Werner è possibile scrivere la potenza come: P t = v /i / 2 cos(ωt) + v /i / cos(2ωt φ) 2 dove la prima parte è un contributo costante, la seconda un contributo alternato sinusoidale con pulsazione doppia. Graficamente: 4. Descrivere e riportare analiticamente le principali leggi che governano le reti elettriche in Regime Quasi Stazionario. Con regime quasi stazionario si intende una particolare approssimazione applicata all analisi delle reti. Si impone cioè che le correnti circolanti varino in modo sufficientemente lento da permettere al conduttore in ogni momento di essere nelle condizioni proprie del regime stazionario. Le leggi che si applicano sono quelle di Kirchhoff alle tensioni e alle correnti, il corollario di Millmann e i teoremi di equivalenza di Thevenin e Norton. 5. Descrivere quali sono i principali carichi che riducono il fattore di potenza della rete elettrica e le procedure di calcolo da adottare per il dimensionamento di un sistema di rifasamento sia per il caso monofase che trifase. Il fattore di potenza, definito come cos φ = D rappresenta lo sfasamento tra il fasore della E corrente e quello della tensione. I carichi che abbassano il fattore di potenza sono per esempio i trasformatori, motori elettrici, le lampade fluorescenti e tutte quelle utenze che hanno un carico induttivo/ohmico-induttivo. Per il dimensionamento di un sistema di rifasamento si utilizza un cos φobiettivo che si vuole raggiungere e si calcola la Potenza Reattiva Q necessaria. Q = P(tan φ tan φ JK@LMM@>J ) successivamente si calcola la capacità del condensatore come Q C = 2 π f v ' nel caso trifase, a differenza del caso monofase è possibile scegliere tra due soluzioni di collegamento: Condensatori a stella - Permettono di utilizzare una tensione di collegamento più bassa ( ) ) ma con capacità elevata. Q Condensatori a triangolo - Permettendo di utilizzare una capacità minore ( R ) ma Q con tensione pari a quella dell impianto. 2

3 6. Definire che cosa si intende per tensione di passo e di contatto, contatto diretto e indiretto, isolamento principale e rinforzato. Si definisce tensione di passo il valore di d.d.p. tra due unti nel terreno posti a 1m di distanza, tensione di contatto il valore della d.d.p. alla quale è soggetto il corpo umano in caso di guasto. Se si entra in contatto con una parte di impianto normalmente in tensione che è diventato casualmente accessibile si parla di contatto diretto, si parla di contatto indiretto se la persona va in contatto con una massa o una parte metallica connessa durante un guasto dell isolamento. L isolamento principale è quello che viene usato per proteggere la persona, per rendere ancora più sicuro l isolamento viene applicato un secondo strato detto supplementare quindi l isolamento viene definito rinforzato. 7. Descrivere le convenzioni di misura degli utilizzatori e dei generatori. Per i generatori il verso della corrente e della tensione è preso concorde e positivo uscente dal bipolo(o tripolo) Per gli utilizzatori il verso della corrente è preso discorde rispetto a quello della tensione. 8. Descrivere i vantaggi che ha la trasmissione trifase rispetto alle altre tecniche di trasmissione studiate. La trasmissione delle potenza in sistema trifase è più vantaggiosa rispetto all impiego di tre linee monofasi perché si utilizzano solo 4 fili anziché 6, nel caso di sistema trifase simmetrico ed equilibrato il neutro non è percorso da corrente quindi si possono utilizzare solo 3 fili. 9. Descrivere cosa rappresenta il gruppo orario in un trasformatore trifase. In un trasformatore trifase è possibile creare degli sfasamenti tra le tensioni di linea al primario e al secondario secondo multipli di 30. Generalmente sono impiegati i gruppi: Yy0 = 30 *0 = 0 ( sfasamento identico al primario) Yy6 = 6*30 = 180 y11 = 11*30 = Descrivere il metodo delle correnti cicliche per la soluzione delle reti elettriche. Considerato un circuito elettrico lineare in regime stazionario è possibile definire per ogni maglia una corrente i S che circola nella maglia. Successivamente su ogni elemento del circuito viene calcolata al caduta di tensione imposta dalla corrente o dalle correnti insistenti. Una volta scritte le equazioni si possono risolvere per calcolare le correnti inizialmente imposte. 3

4 11. Descrivere le tecniche di protezione contro i contatti indiretti impiegabili nei sistemi TT. In un sistema TT il neutro è collegato alla rete di terra della cabina MT/BT mentre le masse sono collegate all impianto di terra delle utenze finali. Con questo tipo di sistema le correnti di guasto a terra sono di una certa importanza ma permettono di identificare rapidamente il problema e il guasto viene eliminato velocemente. 12. Tracciare lo schema elettrico di accensione di una lampada con possibilità di comando da quattro punti distinti. 13. Indicare le espressioni, nel dominio del tempo, delle potenze in regime alternato sinusoidale trifase delle potenze attiva, reattiva ed apparente. La componente attiva della potenza istantanea è definita come: V I cos φ 1 + cos (2ωt) La prima parte è la componente media ed è costante. La seconda è la parte sinusoidale con valor medio nullo. La componente reattiva della potenza istantanea è: V I sin φ sin (2ωt) e definisco la potenza reattiva come Q = V I sin φ 14. Descrivere il principio di funzionamento dell interruttore differenziale e come viene impiegato nelle reti elettriche monofasi. L interruttore differenziale utilizza un circuito magnetico su cui sono avvolti dei solenoidi (uno per ogni filo da proteggere) in modo che in condizioni di normale utilizzo il flusso magnetico complessivo si annulli. Nel caso in cui ci sia un guasto la corrente immessa nel circuito dalla fase verrebbe scaricata in parte sul neutro e in parte a massa/terra, creando uno squilibrio nei flussi magnetici che fanno scattare l interruttore, interrompendo il collegamento elettrico. 4

5 15. Rappresentare il modello elettrico del trasformatore reale evidenziando il significato fisico dei diversi parametri rappresentati. A differenza del trasformatore ideale, in quello reale bisogna tener conto delle perdite che avvengono nel rame e nel ferro. Per le perdite nel rame si usa una resistenza in serie a ogni solenoide, per le perdite del ferro si impiega una conduttanza in parallelo a ogni solenoide. 16. Rappresentare secondo la CEI 3-20 i simboli grafici di un interruttore, deviatore, invertitore, presa e punto luce. Eseguire un esempio di schema unifilare per evidenziarne il loro impiego. 17. Descrivere le tecniche di protezione delle linee elettriche di bassa tensione. Le linee elettriche in bassa tensione sono generalmente configurate con sistema TT o TN nelle varianti TN-s e TN-C o IT Nel primo caso il neutro è collegato a terra tramite il sistema di terra della centrale, la terra dell utenza è collegata all impianto di terra dell utenza. Nel caso TN il neutro è collegato a terra tramite l impianto di terra della centrale, mentre c è differenza tra TN-S, dove la terra dell utenza è collegata a terra tramite il cavo di protezione elettrica, mentrenel TN-C, il cavo di protezione elettrica e di neutro coincidono, avendo quindi sia le masse che il neutro collegati al medesimo cavo. Nel caso IT il neutro è flottante e le masse sono collegate a terra tramite l impianto dell utenza. 5