Impianti elettrici

1. Impianti elettrici

2. Grandezze elettriche • Tensione (V): Misurata in Volt (V) • Corrente (I): Misurata in Ampere (A) • Potenza: Misurata in Watt (W=V.I) • Resistenza: Misurata in Ohm (W=V/I) • Frequenza: Misurata in Hertz (Hz) • Luminosità: Misurata in lumen (lm) • Illuminamento: Misurato in lux (lux)

3. Tensione • Rappresenta la differenza di stato fra due punti • Rappresenta la possibilità di erogare energia • Agli alveoli di una presa si può misurare la tensione senza passaggio di corrente e senza erogazione di potenza • Così avviene per ogni circuito aperto

4. Configurazione A V V B Sorgente di energia

5. Corrente • Si verifica passaggio di corrente solo quando un circuito è chiuso • La corrente che transita in un circuito dipende dal carico • Il carico, possiede una sua impedenza (resistenza), ed il rapporto tensione diviso resistenza indica il valore della corrente I • Legge di Ohm V=Z x I (V=R x I)

6. Configurazione A L B Sorgente di energia L=Carico

7. Natura del carico • Resistivo • Lampada incandescenza • Forno • Stufa elettrica • Induttivo • Lampada fluorescenza (reattore) • Motore • Avvolgimento • Capacitivo • Condensatori

8. Effetti del carico resistivo • Premesso che non esiste un carico resistivo puro • La corrente assorbita è in fase con la tensione che la genera (V=ZxI = RxI) • L’impedenza coincide con la resistenza

9. Carico resistivo V V I I o anche unendo le origini dei vettori

10. Potenza di un carico resistivo • La potenza è sempre un prodotto vettoriale di tensione e corrente. • In modulo P = V x I cos f • Dove f angolo compreso fra V ed I • Essendo i due vettori in fase, (cos f = 1) il prodotto vettoriale è eguale a quello scalare P = V x I ( dove P=potenza attiva)

11. Effetti del carico induttivo • Premesso che non esiste un carico induttivo puro • La corrente assorbita è in quadratura ed in ritardo con la tensione che la genera (V=ZxI=XxI) • L’impedenza coincide con la reattanza (considerata in quadratura con la resistenza)

12. Carico induttivo V V o anche unendo le origini dei vettori I f=90° I

13. Potenza di un carico induttivo • La potenza come prima definita è ovviamente nulla per essere cos f = 0 • Si definisce la potenza reattiva come il prodotto della tensione V per la corrente in quadratura I Q = V x I

14. Effetti del carico capacitivo • Premesso che non esiste un carico capacitivo puro • La corrente assorbita è in quadratura ed in anticipo con la tensione che la genera (V=ZxI=XxI) • L’impedenza coincide con la reattanza (considerata in quadratura con la resistenza)

15. Carico capacitivo V V o anche unendo le origini dei vettori I I f=-90°

16. Potenza di un carico capacitivo • La potenza reale è ovviamente nulla (cosf=0) • Si definisce la potenza reattiva come il prodotto della tensione V per la corrente in quadratura I Q = V x I

17. Effetti del carico comune • Avendo premesso che non esistono carichi puri, il carico comune sarà: • Resistivo+induttivo ( è la configurazione comune) • Resistivo+capacitivo • La corrente assorbita nella configurazione comune è in ritardo rispetto alla tensione che la genera

18. Carico comune V V o anche unendo le origini P=VxIxcosf I I P f f Q=VxIxsinf Q Dalla figura segue che tgf = Q/P

19. Potenza apparente • Dalla figura precedente si ricava che sotto la tensione V il carico comune assorbe la corrente I in ritardo rispetto alla tensione. • Questa corrente, peraltro, deve essere prodotta dal produttore e trasmessa in rete • Per cui il produttore deve produrre sia la tensione V che la corrente I da inviare in rete, come se producesse V x I • Il prodotto VxI si chiama potenza apparente

20. Conseguenze • Tutte le macchine che producono o trasformano energia (generatori, trasformatori, gruppi elettrogeni, gruppi di continuità) sono individuate dalla loro potenza apparente. • L’unità di misura della potenza apparente (A) è il VA (Volt-ampere) con i suoi multipli

21. Effetto del carico comune • Una macchina elettrica per fornire energia utilizzabile ( dipendente dalla potenza reale) ha bisogno di assorbire dalla rete elettrica una potenza maggiore. • Ciò si tramuta in una perdita per il produttore e per la linea di trasmissione • E’ interesse del produttore ridurre questa perdita

22. Fattore di potenza • Il coseno dell’angolo f fra tensione e corrente viene denominato fattore di potenza • Fino alla prima crisi energetica (1973) il valore stabilito per legge del cosf era non minore di 0,8 • Dopo, per legge, il valore del cosf deve essere eguale o maggiore a 0,9 • Ridurre il cosf è compito dell’utente

23. Rifasamento • Il problema della riduzione del fattore di potenza viene denominato rifasamento • Dei vari tipi di carico (resistivo, induttivo e capacitivo) sappiamo che assorbono corrente in fase; in quadratura e ritardo; in quadratura e in anticipo rispetto alla tensione • Poiché un carico normale assorbe corrente in ritardo gli si potrà accoppiare un carico che assorba corrente in anticipo per riequilibrare tutto?

24. Rifasamento V Iq I Itot f1 f Per diminuire l’angolo f occorre sommare alla corrente assorbita una seconda corrente in anticipo

25. Per diminuire l’angolo f occorre sommare alla potenza apparente una potenza in anticipo V Qrif.(pot.reatt.) P A (pot app.) Atot f1 tgf=Q/P tgf’ = (Q-Qrif.)/P tgf’ = tgf –Qrif/P Qrif =P(tgf-tgf’) f Perché cosf1 sia <=0,9 Q

26. Condensatori • Il modo più comodo per rifasare è inserire dei condensatori • La potenza del parco di condensatori viene espressa in VAr ( volt ampere reattivi) • Per conoscere la capacità dei condensatori si può ricordare la formula in base alla potenza: Q= wxcxV 2

27. Dove rifasare • Rifasamento distribuito • Rifasamento accentrato • Gli effetti per il distributore non cambiano

28. Rifasamento distribuito • Inserire adatti condensatori presso ogni utenza • E’ utilizzato per • lampade fluorescenti • mobiletti dei fan coil • Non è indicato per i motori

29. Rifasamento concentrato • Consente di risparmiare nell’investimento • Consente regolazione automatica secondo necessità • Occorre fare attenzione all’effetto pendolo

30. Calcolo degli impianti

31. Procedura di calcolo • Analisi dei carichi • Calcolo della corrente assorbita da ogni linea • Dimensionamento delle linee in funzione della portata • Verifica della caduta di tensione • Verifica del comportamento al corto circuito • Verifica della protezione contro i contatti indiretti

32. Analisi dei carichi • Consiste nell’elencare tutti i carichi con la loro potenza e le loro caratteristiche • Occorre considerare quanto si utilizza del carico introducendo il coefficiente di utilizzazione del singolo utilizzatore( ad esempio una presa dimensionata per un carico di 3 kW normalmente ne alimenta uno di 500 W) • Occorre inoltre considerare un coefficiente di contemporaneità che interessa il complesso dei carichi

33. Corrente assorbita • Stabiliti i carichi di una zona si può: • Stabilire il numero dei circuiti (linea con protezione) • Individuare il carico complessivo di ogni circuito • Calcolare la corrente che attraversa il circuito con la formula I=N/(kxVxcosf) dove: • k = 1 per circuiti monofase, k=3 per circuiti trifase • V = tensione stellata

34. Portata di corrente • E’ una caratteristica del: • circuito • del conduttore e del suo isolamento, • delle condizioni di posa • della temperatura di esercizio • Viene tabulata dall’UNI-CEI ( ente normatore )

35. Densità di corrente possibile 2 Lato 1mm, area 1mm , perimetro 4 mm 2 Lato 2mm, area 4 mm, perimetro 8 mm 2 Lato 3mm, area 9 mm, perimetro 12 mm 2 Lato 4 mm, area 16 mm, perimetro 16 mm E’ dal perimetro che si disperde il calore prodotto

36. Temperatura di esercizio • La temperatura ambiente normalizzata è pari a 30°C • Per temperature inferiori si ha un coefficiente maggiore di 1 • Per temperature superiori si ha un coefficiente minore di 1 • Per 30°C il coefficiente è 1

37. Caratteristica del circuito • Dipende dal fatto che un circuito sia monofase o trifase • In un circuito monofase i conduttori percorsi da corrente sono 2; in un circuito trifase sono 3 • In un circuito monofase le fonti di calore sono meno • La portata di un conduttore è maggiore se il circuito è monofase

38. Conduttore e isolamento • La portata dipende ovviamente dalla sezione anche se non in modo lineare • Dipende dall’isolante perché questo ha diversi comportamenti alla temperatura • PVC può funzionare inalterato fino a 70°C • EPR può funzionare inalterato fino a 90 °C • A temperature maggiori l’isolante invecchia prima

39. Condizioni di posa • Ogni condizione di posa ha una sua caratteristica di dissipazione del calore • Pose caratteristiche: • In fascio entro tubo • Su canale verticale • Su canale orizzontale • Direttamente incassato • In aria libera

40. Configurazione ZLinea A Z carico L L=Carico B ZLinea Sorgente di energia Se la impedenza di linea fosse nulla (ZLinea=0) tutta la tensione si avrebbe ai capi del carico

41. Caduta di tensione Zlinea=0 Zlinea=0 cdt=V cdt<V V V Zlinea=0 Zlinea=0 con Zlinea<>0 la caduta di tensione ai capi dell’apparato è minore < V con Zlinea=0 la caduta di tensione ai capi dell’apparato è pari alla V

42. Caduta di tensione • Come il carico ha una sua impedenza Zcarico composta da resistenza e reattanza fra loro in quadratura, così anche la linea ha una sua impedenza Zlinea funzione della sezione e dell’isolamento. • Quando la corrente transita in queste impedenze si verifica una caduta di tensione, quella che idealmente si verificherebbe tutta sul carico

43. Calcolo della caduta di tensione cdt =kxIxZ 2 2 Dove Z = R + X Dove k = 3 nei circuiti trifase Dove k = 2 nei circuiti monofase

44. Determinazione di Z • Poiché Z è somma di due termini fra loro in quadratura (R ed X) per avere la Z totale non è possibile sommare i vari valori di Z • Occorre sommare separatamente tutte le R e tutte le X poi trovare l’ipotenusa del triangolo rettangolo da esse formato

45. Limiti della cdt • Secondo la Norma CEI 64-8 la caduta di tensione fra il punto di consegna dell’energia e l’utilizzatore più lontano non deve superare il 4%

46. Corto circuito A L B Sorgente di energia L=Carico A Corto circuito Z = 0 B Sorgente di energia

47. Conseguenze del c.c. • Dalla legge di Ohm V=ZxI • Poiché V è dato (V=231 Volt) e Z=0 ne consegue che I tende all’infinito • Non è così perché qui intervengono le impedenze della linea che si erano trascurate quando si calcolò la corrente nominale del circuito

48. Corrente di c.c. • Così la corrente di c.c. viene limitata dalle impedenze del circuito, impedenze di linea. • Ic.c. = V / Z • In questo caso non è consentito trascurare le impedenze interne della sorgente

49. Impedenza complessiva • E’ la somma di tutte le impedenze dalla sorgente al punto di corto circuito. Zsorg. ZLinea1 ZLinea2 ZLinea3 Ztotale=Zsorg.+Zlinea1+Zlinea2+Zlinea3 2 2 Dove Z = R + X Rtotale=Rsorg.+Rlinea1+Rlinea2+Zlinea3 Xtotale=Xsorg.+Xlinea1+Xlinea2+Xlinea3

50. Impedenza della sorgente • Non è mai trascurabile per c.c. a livello sorgente • A fine linea non sempre è possibile trascurarla: ad esempio • Ciò avviene per consegne in bt dalla Società erogatrice • Avviene per i gruppi di continuità