ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 UNIVERSITÀ DI NAPOLI FEDERICO II - FACOLTÀ DI INGEGNERIA Anno Accademico 010 011 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 14-03-11 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 MERC 16-03-11 La corrente elettrica stazionaria; campo densità di corrente Legge di Ohm alle grandezze specifiche Resistività e sua unità di misura 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 Resistenza elettrica Legge di Ohm ai valori integrale Bipoli: definizioni e convenzioni grafiche. Il bipolo resist e la sua caratteristica grafica.. 3 LUN 1-03-11 Resistività e temperatura; coefficiente di temperatura Valori tipici di resistività e coefficiente termico per materiali caratteristici. Pile e accumulatori; capacità della pila 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. 4 MERC 3-03-11 Circuito semplice: bilancio delle potenze. Convenzioni sui bipoli: convenzione del generat e convenzione dell utilizzat Generatori reali di tensione: resistenza interna e caratteristica esterna; 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 5 GIOV 4-03-11 Equivalenza fra bipoli Resistori in serie: resistenza equivalente; partit di tensione: potenziometro e reostato Resistori in parallelo: resistenza equivalente Partit di corrente Equivalenza fra N-poli; il caso di N = 3; stella e triangolo di resistori: formule di trasformazione 1
ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 Esempi numerici di applicazione delle leggi di Kirchhoff Calcolo di potenze e verifica della conservazione delle potenze. 6 LUN 8-03-11 7 MERC 30-03-11 8 GIOV 31-03-11 9 LUN 04-04-11 10 MERC 06-04-11 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). 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
11 GIOV 07-4-11 1 LUN 11-04-11 13 MERC 13-04-11 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 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) Strumenti in c. a.: voltmetro, amperometro e wattmetro. 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 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 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 14 GIOV 14-04-11 15 LUN 18-04-11 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 Potenze trifasi; cosϕ Vantaggi delle linee trifasi Misura della potenza attiva trifase; metodo Aron Un esempio numerico di risoluzione di rete trifase simmetrica ed equilibrata Considerazioni sull approccio operativo all analisi di reti trifasi simmetriche ed equilibrate: riferimenti ad alcune tipologie comuni Rifasamento di carichi trifasi simmetrici ed equilibrati Il vett spostamento centro stella e il suo calcolo mediante la formula di Millmann Ancora sul ruolo del neutro 16 MERC 0-04-11 17 GIOV 8-04-11 Altri esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche ed equilibrate Esempi numerici di risoluzione di reti trifasi simmetriche e squilibrate 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 Linearità e stato non nullo 3
ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 Ordine di una rete Reti del I ordine: esempî applicativi 18 LUN 0-05-11 Reti del II ordine: esempî applicativi Circuito oscillante. Uscita cisoidale. Discontinuità: gradino, impulso Proprietà di campionamento dell impulso Relazione gradino - impulso; impulsi di ordine inferi o superi Funzione risposta al gradino unitario g(t) e all impulso unitario h(t) 19 MERC 04-05-11 Esempî applicativi per la determinazione di g(t) ed h(t) Integrale di convoluzione: dimostrazione ed esempio applicativo 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 0 GIOV 06-05-11 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 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 1 LUN 09-05-11 Cenni al progetto dell elettromagnete: il problema diretto e quello inverso 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 Relazioni costitutive per il doppio bipolo circuiti ad accoppiamento perfetto Reti equivalenti per circuiti perfettamente accoppiati; corrente magnetizzante Il trasformat ideale Proprietà del trasformat ideale: trasparenza alle potenze e traslazione delle impedenze MERC 11-05-11 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 Caratteristiche costruttive del trasformat: nucleo, avvolgimenti, raffreddamento 4
ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 3 GIOV 1-05-11 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 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 Trasformat separat 4 LUN 16-05-11 5 MERC 18-05-11 6 GIOV 19-05-11 Autotrasformat: principio di funzionamento, convenienza economica e precauzioni d uso 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 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) 7 LUN 3-05-11 A gabbia semplice A doppia gabbia. A cave profonde Cenni alla regolazione della velocità 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.... 5
8 MERC 5-05-11 ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 MACCHINA A CC (a collett) Principio di funzionamento: collett, 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 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 Indotto a tamburo: asse neutro Macchina multipolare: collegamenti possibili e vantaggi Dinamo sotto carico: reazione d'armatura, conseguenze e rimedi (avvolgimento compensat) 9 GIOV 6-05-11 30 LUN 30-05-11 31 MERC 01-06-11 3 LUN 4-06-11 33 MERC 06-06-11 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)] Caratteristiche dei motori a eccitazione indipendente e autoeccitato in derivazione Caratteristiche del mot 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 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 Strumenti con raddrizzatori 6
ELETTROTECNICA e Complementi di ELETTROTECNICA - Chimici Diario delle lezioni - II SEM. 009-10 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 Linee di trasmissione: materiali, disposizioni, supporti. Isolatori. Schemi unifilari 34 LUN 11-06-11 35 MERC 13-06-11 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) 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). 36 GIOV 14-06-11 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 VISITA ALLA SALLA MACCHINA E ALLA SALA AT del DIEL ORE TOTALI 7 7