CAP. II RETI ELETTRICHE II.1 Topologia delle reti - Grafi...G. Lupò – Appunti dalle lezioni di...
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G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-1
CAP. II – RETI ELETTRICHE
II.1 Topologia delle reti - Grafi
Per rete elettrica si intende una connessione significativa di bipoli elettrici.
Gli elementi caratteristici (topologici) di una rete sono:
Lato: costituito da un bipolo o, volendo, dal bipolo equivalente ad una
connessione semplice di più bipoli.
Nodo: punto di connessione di più di due bipoli (si ha un nodo degenere se si
considera la connessione di due soli bipoli).
Maglia: definita dalla connessione di bipoli lungo un percorso chiuso.
Grafo (non orientato): mappa della connessione dei bipoli; il grafo si dirà
ridotto se non vi sono connessioni in serie o in parallelo (o si sono considerati i
bipoli equivalenti); un grafo si dirà completo se è prevista la connessione tra tutti
i nodi (un grafo potrà essere sempre completato considerando bipoli aperti in
luogo delle connessioni mancanti). Un grafo ridotto e completo poggiante su n
nodi ha un numero di lati pari a
L =[n (n-1) /2]
Albero: struttura fondamentale della rete, che collega tutti gli n nodi della
rete, senza dar luogo a maglie; l’albero ha quindi (n-1) rami.
Coalbero: parte della rete complementare all’albero; il coalbero ha quindi L-(n-
1) lati.
Grafo orientato: tutti i lati r-s hanno un riferimento (r-s) e per tutti si presume
assunta la stessa convenzione; ad esempio, se si sceglie la convenzione
dell’utilizzatore, il riferimento (r-s) indicherà sia la tensione Vrs che la intensità
di corrente Irs.
II.2 Sistema fondamentale Considerata una rete di L lati (su ognuno dei quali vi sia un bipolo per
ognuno dei quali è fissata la caratteristica V-I), risolvere la rete significa trovare
i valori delle 2L incognite tensioni e intensità di corrente. Occorre quindi
definire un “sistema fondamentale” risolvente; è necessario che questo sistema
sia costituito da 2L relazioni indipendenti. Un “pacchetto” di L relazioni
indipendenti è dato dalle stesse relazioni caratteristiche. Le altre relazioni saranno
collegate ad elementi topologici della rete (nodi e maglie); saranno quindi
chiamate “equazioni topologiche”.
II.3 Equazioni indipendenti ai nodi ( I principio di Kirchhoff) Ai singoli nodi si può esprimere un bilancio di carica: in condizioni
stazionarie non vi può essere accumulo di carica in ogni volume che
Le reti elettriche
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“comprende” il nodo. Facendo riferimento ad un fissato intervallo di
osservazione, si potrà esprimere quindi un bilancio di intensità di corrente: la
somma “ponderata” delle intensità di correnti che interessano il nodo deve
essere nulla, dove per “ponderare” le intensità basterà moltiplicare per un
coefficiente (+1) [ oppure (-1)] l’intensità I se il riferimento è uscente dal nodo e
per un coefficiente (-1) [(+1)] se il riferimento è entrante (1).
Se si considerano le equazione ai nodi con sequenza definita da un albero, è
immediato constatare che le prime (n-1) equazioni ai nodi che si scrivono sono
indipendenti, mentre l’ultima è combinazione delle altre. Infatti ognuna delle
prime (n-1) equazioni conterrà un lato “nuovo” dell’albero; inoltre la intensità
di corrente di ogni lato compare nelle n equazioni due volte, una volta con un
peso (es: +1 nell’equazione al nodo rispetto al quale presenta il riferimento
uscente), un’altra con peso opposto (es.: - 1 nell’equazione al nodo adiacente
rispetto al quale presenta un riferimento entrante); quindi la somma dei membri
di tutte le n equazioni si riduce ad una identità.
II.4 Equazioni indipendenti alle maglie (II principio di Kirchhoff) Per le singole maglie si può riconsiderare l’irrotazionalità del campo elettrico
in condizioni stazionarie. Si potrà esprimere quindi un bilancio di tensioni
considerando l’annullarsi della circuitazione del campo elettrico lungo una
maglia percorsa in senso orario [antiorario]: la somma “ponderata” delle
tensioni incognite che interessano la maglia deve essere nulla, dove con
l’espressione “ponderare le tensioni” si intende moltiplicare per un coefficiente
(+1) la tensione V se il riferimento assunto per la tensione è congruente con la
circuitazione che si sta eseguendo e per un coefficiente (-1) nel caso contrario.
Se si considerano le maglie ottenute appoggiando all’albero i singoli lati del
coalbero, si ottengono [L-(n-1)] equazioni alle maglie indipendenti; si può
constatare che ogni altra equazione ottenuta considerando altre maglie è
combinazione delle equazioni suddette.
1 Per una scrittura sistematica della matrice dei coefficienti si potranno inserire in tutte le
equazioni anche le incognite non direttamente interessate, moltiplicandole per un coefficiente
nullo. La matrice dei coefficienti sarà quindi sparsa, ossia ricca di elementi nulli. La soluzione
attraverso un programma di calcolo del sistema fondamentale sarà in qualche modo
“complicata” dalla inversione di una matrice sparsa.
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II. 5 Risoluzione del sistema fondamentale completo
Una volta scritte le L equazioni caratteristiche e le L equazioni topologiche, ci
si chiede se il sistema fondamentale ammette soluzioni. Atteso che le equazioni
topologiche sono semplicissime equazioni lineari, si potrà affermare che, se le
caratteristiche sono “normali”, il sistema ammette una ed una sola soluzione.
Se vi sono bipoli non lineari, occorrerà esaminare caso per caso le non
linearità. In molti casi il sistema ammette una ed una sola soluzione (e ad essa
potrà pervenirsi analiticamente con diversi metodi, ad esempio per
sostituzione), in altre casi occorrerà procedere per via numerica (esempio:
metodo di Newton-Raphson) o con altri metodi iterativi. In altri casi possono
presentarsi soluzioni dipendenti dalla “traiettoria” nel piano V-I.
Può essere sviluppata una opportuna formulazione matriciale per la
presentazione e la risoluzione del sistema fondamentale.
II. 5.1 Esempio n.1 di risoluzione del sistema fondamentale completo
Si consideri la rete di figura, nota come ponte di Weathstone:
Sia E=50V; R1=20Ω; R2=10Ω; R3=50Ω; R4=50Ω; R5=5Ω;
fig.II.5.1a fig.II.5.1b
Il grafo della rete è mostrato in fig.II.5a.1a, in cui è stato scelto un albero ADBC (tre
rami); il coalbero (3 rami) è tratteggiato.
Il grafo presenta 4 nodi; le equazioni indipendenti ai nodi sono quindi le seguenti 3:
A
B
D C
V
+
I5
E
R1 R2
R5
R4
+ E
I1
I3 I4
R3
I2
I
V1 V2
V4 V3
V5
V
Le reti elettriche
II-4
nodo A) (–1)I+(-1)I1+ (0)I2 +(+1)I3 +(0)I4 +(0)I5 =0
nodo D) (0)I+(0)I1+ (0)I2 +(-1)I3 +(+1)I4 +(-1)I5 =0
nodo B) (0)I+(+1)I1+ (+1)I2 +(0)I3 +(0)I4 +(+1)I5 =0.
Le maglie indipendenti e le relative equazioni si ottengono considerando i tre lati
del coalbero:
AB) (+1)V1+(0)V2+(-1)V3+(0)V4+(+1)V5+(0)V=0
DC) (0)V1+(+1)V2+(0)V3+(-1)V4+(-1)V5+(0)V=0
AC) (0)V1+(+1)V2+(+1)V3+(0)V4+(-1)V5+(-1)V=0
Le equazioni caratteristiche sono:
V=E
V1=-R1I1
V2=R2I2
V3=R3I3
V4=R4I4
V5=R5I5
Le soluzioni, che si possono ottenere impiegando metodi tradizionali (sostituzione,
regola di Kramer, ecc.) sono (2)
][441.0220
97];[045.0
22
1];[077.0
220
17
];[123.0220
27];[364.0
11
4];[318.0
22
7
54
321
AIAIAI
AIAIAI
][10];[22.022
5];[85.3
22
85
];[14.622
135];[64.3
11
40];[36.6
11
70
54
321
VVVVVV
VVVVVV
Si osservi che i valori assoluti della tensione e dell’intensità di corrente relativi al
generatore sono massimi nella rete (principio di non amplificazione, vedi §II.11).
Risolvendo il sistema rispetto a I5, si ottiene
4132
42413231
4132
43
43
21
215
5 RRRRE
RRRRRRRR
RRRR
RR
RR
RR
RRR
EI
L’intensità di tale corrente è nulla, qualunque sia il valore della tensione del
generatore nella cosiddetta condizione di equilibrio
4132 RRRR
Il verificarsi di tale condizione consente di determinare il valore di una resistenza
incognita R1 , conoscendo il valore di R2 ed R3 e facendo variare R4 in modo da ottenere
un valore nullo di I impiegando un amperometro molto sensibile (galvanometro). La
2 Per ritrovare “esattamente” i bilanci di tensione e corrente può essere utile far riferimento a
numeri razionali in forma frazionaria. Altrimenti occorre tener presente gli errori di
arrotondamento e troncamento tipici delle calcolatrici numeriche.
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II-5
precisione nella misura dipenderà dalle tolleranze delle resistenze impiegate e dalla
classe dello strumento.
Volendo valutare la sensibilità del ponte, ossia quale sia la minima variazione di R1
che può essere “sentita”, si supponga che, a partire dalla condizione di equilibrio, vi sia
una variazione
111*1
*
111
4
321
R
RRR
R
RRR
In queste condizioni si avrà
3241325 1 RRE
RRRRE
I
Detta I5m la minima intensità di corrente leggibile dall’amperometro (ad es. 1 nA)
(divisione o “tacca” dello strumento analogico, cifra più bassa dello strumento
digitale), la sensibilità è data da
42413231
43
43
21
215
42413231
43
43
21
215
5
32
***
*
RRRRRRRRRR
RR
RR
RRR
RRRRRRRRRR
RR
RR
RRR
IRER
m
Se le resistenze all’equilibrio sono tutte dello stesso valore R, si ha
mm IE
RI
RER
RRRRRRRRRRRR
RR
RR
RRR
55
32
2
42413231
43
43
21
215
8
42***
*
ponendo R=1000Ω ed E=8V, si ha δ=10-6, ossia il ponte è sensibile alla variazione della
resistenza di una parte su un milione.
Altro esempio numerico con la formulazione completa del sistema fondamentale è
sviluppato in §II.23-
Le reti elettriche
II-6
II.6 Principio di sostituzione
Se il punto di lavoro P della connessione tra un bipolo B1 ed un bipolo B2 è
unico, esso può essere identificato anche sostituendo ai bipoli suddetti due
bipoli B1* e B2* le cui caratteristiche comprendano il punto P e questi
rappresenti ancora l’unico punto di lavoro. Ad esempio, in una connessione
generatore ideale di tensione(E)-resistore ideale(R) che ha come punto di lavoro
il punto P di coordinate (E, E/R), si può sostituire al resistore un generatore di
corrente ideale I*=E/R; il punto di lavoro P* della nuova connessione ha le stesse
coordinate del punto P (3).
Le sostituzioni sono sempre ammesse se il punto di lavoro è unico prima e
dopo la sostituzione. Attenzione quindi ai casi patologici.
Più in generale, si consideri una rete elettrica; se il sistema fondamentale
ammette una sola soluzione (ad esempio nel caso di sistemi lineari non
omogenei) è possibile sostituire ad un bipolo (con caratteristica qualsiasi purché
invertibile) un altro bipolo (ad esempio un generatore ideale di tensione o di
corrente con il valore della tensione o della intensità di corrente uguale a quello
della soluzione), purché il nuovo sistema ammetta una sola soluzione (ad esempio
non ci si ritrovi nei casi “patologici”).
II.7 Teorema di scomposizione (Sovrapposizione degli effetti)
Se il sistema è lineare, può essere considerare una qualsiasi scomposizione
del vettore-colonna dei termini noti e “scomporre” la soluzione in tante
soluzioni. Una utile scomposizione consiste nel considerare uno alla volta i
termini noti relativi ai singoli generatori, in quanto è molto più semplice
risolvere una rete lineare alimentata da un solo generatore. Quest’ultimo
procedimento prende comunemente il nome di sovrapposizione degli effetti.
II.8 Conservazione della potenza nelle reti elettriche - Potenze
virtuali - Teorema di Tellegen
Considerato che in regime stazionario la tensione su un lato posto tra i lati r
ed s può essere espressa come differenza di potenziale ( Vrs = ϕr - ϕs) e che vale
la legge di Kirchhoff ai nodi r ed s, si può facilmente dimostrare che è nulla la
3 Ad esempio, nella connessione di bipoli della fig.I.4.1, ai due bipoli si possono sostituire un
generatore di tensione V* ed un generatore di corrente I*. Non è lecito sostituire ad entrambi i
bipoli un generatore di tensione V* (o un generatore di corrente I*), perché sarebbe
indeterminata l’intensità di corrente (la tensione).
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somma - estesa a tutti i lati - delle potenze valutate con la stessa convenzione.4
Quindi è nulla la somma delle potenze assorbite da tutti i lati ed è nulla la
somma delle potenze generate da tutti i lati. Se non si è adottata per tutti i
bipoli la stessa convenzione, la somma delle potenze assorbite - estesa a tutti i
lati per cui si è fatta la convenzione dell'utilizzatore - è pari alla somma delle
potenze erogate - estesa a tutti i lati per cui si è fatta la convenzione del
generatore-.
Se si considerano due reti con ugual grafo (in sostanza con lo stesso numero
di nodi) e con le stesse convenzioni sui lati omologhi (r-s,r'-s'), si può
ugualmente dimostrare che la somma delle potenze virtuali VrsIr's' estesa a tutti le
possibili connessioni è nulla (teorema di Tellegen). Questa proprietà è
“topologica” e potrebbe sembrare del tutto astratta; in realtà si vedrà subito una
applicazione “curiosa” (reciprocità) ma più avanti tale teorema permetterà di
valutare condizioni ottimali per il dimensionamento delle grandi reti di
distribuzione dell’energia elettrica.
II.8.1 Teorema di reciprocità
Come applicazione del teorema di Tellegen si consideri da un lato una rete
resistiva R alimentata da un generatore di tensione Ea (per semplicità, ideale)
situato nel lato a e l’intensità di corrente Ib in un ramo b (per semplicità: un
cortocircuito) e dall’altro la rete R’ modificata rispetto alla precedente solo nella
posizione del generatore Eb’, che trovasi nel lato b’ omologo di b ed in cui si
prende in considerazione l’intensità di corrente Ia’ nel lato a’ omologo di a. La
convenzione “virtuale” tra Ea e Ia’sia congrua con la convenzione tra Eb’ e Ia (ad
es. del generatore).
Applicando il teorema di Tellegen alle due reti si avrà:
4 Infatti, considerato un generico nodo r, si considerino tutti i collegamenti r-s orientati da r
verso i nodi adiacenti (s), cioè uscenti da r; si potrà scrivere
s s
rss
s
rssrsr
s
rssr
s
rsrs IIIIIV 0
Ogni nodo s sarà poi da valutare con tutti i collegamenti con riferimento entrante (Irs)
moltiplicato per (-ϕs); quindi
r s
rss I 0 . Va esplicitamente notato che estendendo
la sommatoria delle potenze ad ogni combinazione (r,s), il collegamento r-s viene considerato
due volte (una volta nel senso r-s, un’altra nel senso s-r); ma poiché rssrrsrs IVIV , si avrà
020 lati
rsrs
lati
rsrs
s,r
rsrs IVIVIV
Le reti elettriche
II-8
V I E I V I I
V I I V I E I
k k a a
lati
k k b
k k a
lati
k k b b
' ' '' '
' '' '
0 0
0 0
dove la sommatoria con apice è estesa a tutti i lati delle reti meno i lati a e b
(a’ e b’); per questi lati, costituiti dagli stessi resistori; sarà VI’=RI I’=RI’ I=V’I e
quindi
Ea I’a = E’b Ib (teorema di reciprocità)
In particolare se i due generatori erogano lo stesso valore della tensione, le due
intensità di corrente sono uguali. Si può quindi calcolare la corrente in un ramo di una
rete alimentata da un solo generatore “spostando” il generatore proprio in quel ramo e
calcolando l’intensità di corrente nel ramo dove si trovava originariamente il
generatore.
Si può riscrivere il teorema rimuovendo le ipotesi semplificative anzidette ed
anche considerando l’alimentazione con un generatore di corrente.
II.8.2 Esempio n.2 – Reciprocità
Quale applicazione del teorema di reciprocità si può considerare la figura di
rete nota come “ponte di Weathstone” già esaminata al §II.5.1, in cui non si
riscontrano configurazioni serie o parallelo di resistori “viste” dal generatore..
Fig. II.8.2.1 – Applicazione del teorema di reciprocità
Per il calcolo della intensità di corrente I5, basta considerare il secondo schema
in cui il generatore è stato posizionato proprio nel ramo 5. Se si pone E’5=E si
avrà quindi che il valore cercato è l’intensità della corrente I’. Essendo nel
V
+
I5
E
R1 R2
R5
R3 R4
+ E
I’3
I’1
I’5
+
E
’
5
R1 R2
R3 R4
R5
I’
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secondo schema R1 in parallelo con R2 e R3 in parallelo ad R4, si avrà, applicando
la regola del partitore di corrente,
4132
432421431231542541532531
42413231
4132
43
43
21
215
43
4
21
2
'
'
5
43
4
21
2'
5
'
3
'
1
'
5'5
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
E
RRRRRRRR
RRRR
RR
RR
RR
RRR
E
RR
R
RR
R
R
E
RR
R
RR
RIIIII
eqE
L’intensità di corrente I5 è nulla se R2R3=R1R4 . Anche la tensione V5 è nulla.
Questa condizione (“ponte bilanciato”) come già visto può essere utilizzata per la
misura di resistenza, avendo a disposizione due resistori di resistenza nota, un
reostato ( resistenza variabile) , oltre al resistore di resistenza incognita.
La condizione di “ponte bilanciato” assicura che anche al variare di E non vi
è sollecitazione elettrica sul bipolo R5 anche se trattasi di bipolo generico, attivo
o passivo, ed anche non lineare. Quindi in tali condizioni non vi è
“interferenza” tra il lato o diagonale di alimentazione ed il lato o diagonale di
“rivelazione” (contenente R5 o qualsiasi altra apparecchiatura rappresentabile
con un bipolo).
Le reti elettriche
II-10
II.9 Generatore equivalente di tensione (Teorema di Thévénin)
Si consideri una rete costituita da bipoli normali (attivi e passivi), accessibile
ai morsetti A-B (bipolo attivo A-B), ovverosia collegabile attraverso A-B ad un
altro bipolo (5).
Al fine di valutare genericamente il funzionamento qualunque sia il bipolo
connesso, ossia la caratteristica della rete suddetta ai morsetti A-B ( ossia
valutare il legame tensione corrente V-I ), nel caso che la rete sia costituita da
bipoli normali, può essere considerato un bipolo elementare costituito da un
generatore reale di tensione ossia dalla serie di un generatore ideale di tensione
Vo e di una resistenza Req (bipolo equivalente di Thévénin) dove Vo è la tensione V
“a vuoto” cioè immaginando di collegare A-B ad un bipolo aperto ed Req è la
resistenza equivalente della rete “vista” ai morsetti A-B quando nella stessa rete
sono stati spenti tutti i generatori.
Fig.II.9.1 - Sostituzione di un bipolo con un generatore ideale di corrente o di tensione
Tale proprietà può essere dimostrata applicando il principio di sostituzione
(nel caso la soluzione esista e sia unica) e la sovrapposizione degli effetti. Nel
caso infatti esista un solo punto di lavoro per i valori (V,I) di fig.II.9.1, in cui
sono stati individuati due morsetti A-B a sinistra dei quali si ha una rete lineare,
si può sostituire al bipolo a destra un generatore ideale di corrente I o un
generatore ideale di tensione V. Nel primo caso, la tensione V si otterrà
considerando il contributo V’ della rete a sinistra di A-B quando il generatore di
corrente è spento (V’ è quindi la tensione a vuoto) ed il contributo dato dal
generatore di corrente – su cui è applicata la convenzione dell’utilizzatore – che
“vede” la rete a sinistra resa passiva, ossia, a parte il segno, la sua resistenza
equivalente ai morsetti A-B. Avremo quindi V=Vo-ReqI; poiché, come si è visto,
questa è la caratteristica di un generatore reale di tensione, la rete a sinistra dei
morsetti A-B è equivalente al bipolo (di Thévénin)costituito dal generatore
erogante la tensione a vuoto ai morsetti A-B in serie con la resistenza vista ai
morsetti A-B sulla rete resa passiva.
5 Tale bipolo potrà essere attivo o passivo ed anche non lineare, salvo le considerazioni di cui
appresso.
I V
n
I
V
n
B
A A
B B
A I
n
V
n
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II-11
Il punto di lavoro effettivo è stabilito dal confronto della caratteristica del
bipolo equivalente di Thévénin con la caratterista del bipolo “esterno” (che può
essere un bipolo elementare [anche non lineare (6)] o un altro bipolo
equivalente).
II. 10 Generatore equivalente di corrente (Teorema di Norton)
Al fine di valutare la caratteristica della rete suddetta ai morsetti A-B (ossia
valutare il legame tensione corrente V-I), nel caso che la rete sia costituita da
bipoli normali, può essere considerato un bipolo elementare costituito da un
generatore reale di corrente ossia dal parallelo di un generatore ideale di
corrente Icc e di una resistenza Req (bipolo equivalente di Norton) dove Icc è la
“intensità della corrente di cortocircuito” cioè immaginando di collegare A-B ad
un bipolo cortocircuito ed è Req la resistenza equivalente della rete “vista” ai
morsetti A-B quando nella stessa rete sono stati spenti tutti i generatori.
Questo teorema di Norton si dimostra anch’esso a partire dalla sostituzione
di fig.II.9.1 con un generatore ideale di tensione e valutando la intensità di
corrente I come contributo I’ dei generatori a sinistra ( I’ è la intensità di
corrente di cortocircuito tra i morsetti A-B) e il contributo I” del generatore V,
che “vede” la rete passiva. Sarà quindi I=Icc+V/Req, con immediata equivalenza
con un generatore reale di corrente (bipolo di Norton).
Il punto di lavoro effettivo è stabilito dal confronto della caratteristica del
bipolo equivalente di Norton con la caratterista del bipolo “esterno” (che può
essere un bipolo elementare [anche non lineare] o un altro bipolo equivalente .
I bipoli di Thevenin e Norton sono ovviamente equivalenti tra loro; i tre
parametri equivalenti sono legati dalla relazione Icc = Vo/Req e quindi il terzo si
potrà dedurre dalla conoscenza dei primi due.
Sarà opportuno il ricorso al teorema di Thévénin, quando l’apertura di un
ramo “frantuma” significativamente una rete (es. configurazioni di sottoreti in
serie), mentre il generatore equivalente di corrente di Norton sarà più
facilmente valutabile nel caso di sottoreti in “parallelo”(7).
6 Se dal confronto delle due caratteristiche si evidenziano una molteplicità di soluzioni,
occorreranno ulteriori valutazioni (legate ad esempio alla “storia” subita dal bipolo, alla
“stabilità” della soluzione, ecc.). 7 Il teorema di Norton si applica infatti continuamente nelle reti di distribuzione dell’energia
elettrica, dove i dispositivi sono collegati a sbarre o linee equipotenziali.
Le reti elettriche
II-12
II.11 Proprietà di non-amplificazione (delle tensioni e delle correnti)
Considerata una rete di bipoli di cui uno solo attivo, si può dimostrare che la
tensione ai capi del bipolo attivo ha, in valore assoluto, il valore più elevato.
Infatti, considerato un generico nodo r interno alla rete (non collegato con il
generatore), la somma delle correnti Irs uscenti dal nodo è nulla; quindi alcuni
termini sono positivi ed altri negativi. Poiché i lati r-s incidenti sul nodo r
contengono bipoli passivi (Vrs Irs0), si avranno termini positivi e negativi anche
tra le tensioni Vrs.
Ricordando che Vrs=Vr-Vs , ci sarà quindi almeno un nodo r’ a potenziale
maggiore di r e un nodo s’ a potenziale minore. Potremmo quindi costruire una
“scaletta” di potenziali che avrà un massimo ed un minimo (essendo l’insieme
dei nodi comunque finito) che corrisponderanno ai morsetti a-b del generatore:
per questo lato non si potrà ripetere il ragionamento suesposto essendo
necessariamente (per il teorema di conservazione delle potenze) Vab Iab0.
Considerata una rete di bipoli di cui uno solo attivo, si può dimostrare che
l'intensità di corrente erogata dal bipolo attivo assume, in valore assoluto, il
valore più grande rispetto alle intensità di corrente negli altri lati. Infatti se si
considera un generico collegamento r-s tra due gradini contigui della “scaletta”
dei potenziali, si potrà separare un insieme di nodi a potenziale maggiore di r
ed un insieme di nodi a potenziale minore di s (fig.II.11.1). I collegamenti tra i
due insiemi sono interessati, per costruzione, da intensità di corrente Irs e Ir’s’
non negative per tutti i lati fuorchè per quello (necessariamente presente)
corrispondente al generatore, per cui sarà Iab <0. Quindi si avrà un solo valore
negativo che sarà necessariamente in modulo maggiore degli altri. Il
ragionamento può estendersi a qualsiasi lato della rete.
Fig.II.11.1 – Non-amplificazione delle correnti
a
b
r
s
r’
s’
Vr’>Vr
Vs’<Vs
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II-13
II.12 Principio di compensazione (*)
Si consideri una rete di cui sono note le tensioni Vk ed le intensità di corrente
Ik; si supponga che si abbia una variazione ΔRn (positiva o negativa) di
resistenza in un generico ramo n, quindinnn RRR '
in tutti i rami le intensità di corrente e le tensioni si porteranno ai valori
kk
i
k
kkk
iII
vVV
'
Per calcolare la nuova soluzione, basta quindi calcolare le variazioni.
Se si volesse “compensare” la variazione, si potrebbe pensare ad un
generatore di tensione ΔEn [di corrente ΔIn] opportuno in modo che sulla serie
nn ER ' ci sia la tensione di valore uguale a quella che c’era prima della
variazione, ossia Vn. Per l’unicità della soluzione, l’intensità della corrente nel
ramo n-mo si riporterà al valore I e tutte le altre grandezze della rete si
riporteranno al valore precedente.
Saranno quindi facilmente confrontabili i due schemi di fig.II.12.1, in cui è
messo in evidenza il ramo n-mo
A) B)
Fig. II.12.1– Compensazione con generatore di tensione
Dovrà risultare quindi
nnnnnnnnnnnnn IREIRREIREIRV '
In altri termini, per “compensare” la variazione di resistenza, occorre inserire
nel ramo n-mo, con la convenzione del generatore rispetto al riferimento In, un
generatore di tensione pari al prodotto della intensità In (supposta nota) e della
variazione della resistenza.
In definitiva, per conoscere le grandezze in tutti i rami in seguito alla
variazione di resistenza nel ramo n-mo, basterà considerare la scomposizione
della rete di fig.II.12.1B in quelle di di fig.II.12.2 .
A) B)
Fig.II.12.2 – Scomposizione applicata alla fig. II.12.1B
Rn
In
Vn
In
R’n
Vn
ΔEn
+
I’n
R’n
V’n R’n
I”n
V”n
ΔEn
+
Le reti elettriche
II-14
Si deduce dal confronto della fig.II.12A e delle figg.II.12.1B e II.12.2B che la
variazione della grandezze nella rete (e quindi i valori finali) possono essere
calcolati inserendo nel ramo n-mo un solo opportuno generatore (di valore
nnn IRE ); è infatti
"'"'
kkkkkkk IIIIIII
Fig.II.12.3 – Calcolo delle variazioni
Questa proprietà può essere mostrata anche “compensando” con un
generatore di corrente. Sono infatti facilmente confrontabili i due schemi di
fig.8, in cui è messo in evidenza il ramo n-mo
A) B)
Fig.II.12.4- Compensazione con generatore di corrente
Dovrà risultare quindi
nnnnnnnnnnn
n
nnnn
n
n VGIVGGIVGIVR
IVGVR
I '
'
11
In altri termini, per “compensare” la variazione di resistenza, o meglio la
variazione di conduttanza, occorre inserire nel ramo n-mo, con la convenzione
del generatore rispetto al riferimento Vn, un generatore di corrente pari al
prodotto della tensione Vn (supposta nota) e della variazione della conduttanza.
In definitiva, per conoscere le grandezze in tutti i rami in seguito alla
variazione di conduttanza nel ramo n-mo, basterà fare riferimento agli schemi
di fig.II.12.5.
R’n
ΔIn
ΔVn
ΔEn=-ΔRnIn
+
Rn
In
Vn
In
R’n=1/G’n
Vn ΔIn
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-15
A) B)
Fig.II.12.5 – Valutazione delle correnti finali
Si deduce dal confronto della fig.II.12.4A e delle figg.II.12.5A e B che la
variazione delle grandezze nella rete (e quindi i valori finali) possono
Fig.II.12.6- Calcolo delle variazioni
essere calcolati inserendo nel ramo n-mo un solo opportuno generatore di
corrente (di valore nnn VGI ), come in fig.II.12.6; è infatti "'"'
kkkkkkk IIIIIII
II.13 Teorema di Cohn (*)
Si consideri una rete di resistori accessibile a due morsetti A-B ed un generico
ramo i-mo. La resistenza equivalente ai morsetti A-B dipende in genere da tutte
le resistenze della rete. Al variare della resistenza Ri del ramo i-mo si avrà una
variazione della resistenza Req ai morsetti A-B tale che
(II.13.1) )(0 CohnditeoremaR
R
i
eq
Si consideri infatti una variazione infinitesima dRi della sola resistenza Ri nel
ramo i-mo. Alimentando tra A e B con un generatore di tensione ideale costante
E, si avrà (fig.II.13.1)
i
i
eq
eqieq
eqeqeq
dRR
RdRRfR
IdRdIRdEIRE
,....)(...,
0
ΔIn= - ΔGnVn
ΔIn
R’n=1/G’n
ΔVn -I”k=ΔIk
I’n
R’n
V’n
In
R’n=1/G’n
Vn ΔIn
I’k
Ik
Le reti elettriche
II-16
Fig.II.13.1 –Teorema di Cohn: (I) rete di partenza; (II) rete variata nel ramo i-mo.
Applicando il principio di compensazione si avrà (fig.II.13.2)
Fig.II.13.2 –Applicazione del teorema di compensazione
Applicando il teorema di Tellegen alle reti (I)-(IV) e considerando che sono
uguali le sommatorie estese ai lati interni, si ha
2
2
22
2
I
I
R
R
dIdRIdRIdRR
RI
dIdRIdRIdIIRdIIRR
dRIIR
dI)dRR(I)dRI(IdIIRdIIRdVIdIVdIE
i
i
eq
iiiiii
i
eq
iiiiiiiiiii
eq
eq
eq
iiiiiiiiiieqiiii
avendo trascurato il termine di ordine superiore. Se ne conclude che la
resistenza equivalente ai capi di un bipolo è una funzione non decrescente di
una qualsiasi resistenza comunque collocata nella rete.
Considerato nuovamente il principio di non amplificazione, per cui le
intensità di corrente vanno diminuendo in valore assoluto man mano che ci si
“allontana” dai morsetti A-B, si nota che, allontanandosi dai morsetti di
ingresso, la resistenza equivalente diventa sempre meno “sensibile” alla
variazione delle resistenza del lato i-mo.
E’ notevole anche il caso limite in cui la resistenza equivalente non “sente” la
variazione della resistenza del lato i-mo.
IidRi
+
dIi
Ri+dRi dVi
dI A
B
-IidRi
+
(IV)
Ii
Ri+dRi Vi
+
E
I A
B
(III)
Ii
Ri
Vi
+
E
I A
B
Ii+dIi
Ri+dRi
Vi+dVi +
E
I+dI A
B
(II) (I)
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-17
La condizione 0
i
eq
R
R, già considerata nel “Ponte di Weathstone” è di
notevole interesse nelle applicazioni (disaccoppiamento resistivo): la sorgente E
non “influenza” nè “interferisce” con il lato i-mo, ovvero il lato i-mo è immune
dalle variazioni o perturbazioni del generatore E (8).
II.14 Metodo dei potenziali nodali
Se in una rete elettrica si assumono come incognite ausiliarie i potenziali
degli n nodi della rete (considerato un nodo di riferimento, si avranno n-1
nuove incognite), la tensione del lato posto tra il nodo r ed il nodo s sarà Vrs=ϕr-
ϕs e la intensità di corrente, se i bipoli sono normali e si assume la convenzione
dell’utilizzatore, sarà del tipo Irs=(ϕr-ϕs+Ers)/Rrs, dove Ers è il valore della
tensione del generatore (con il primo morsetto rivolto ad r) ed Rrs è la resistenza
del lato. Le n-1 equazioni indipendenti per conoscere i potenziali nodali si
potranno dedurre dal bilancio delle correnti al nodo, scritto in funzione della
differenza fra i potenziali nodali.
Nel caso di bipoli normali, la matrice del coefficienti A nell’equazione A φ +
B = 0 (dove φ è il vettore delle incognite potenziali nodali, di dimensioni [1x (n-
1)]) è costituita dai termini di conduttanza propria sulla diagonale principale
Grr , pari alla somma delle conduttanze dei lati incidenti nel nodo r, resi
passivi . I termini fuori diagonale (r-s) vengono chiamati conduttanze mutue e
rappresentano la conduttanza del lato considerato, cambiata di segno.
In tal modo il sistema fondamentale può essere impostato in modo diretto
(per ispezione). Infatti, come si è detto, la tensione su un lato collegante due lati r-
s può essere espressa, in condizioni di funzionamento quasi stazionario, come
differenza tra i valori che il potenziale elettrico assume in r ed s. Si avranno
quindi l (numero di lati) relazioni del tipo
(II.14.1) srrsV ,
per un lato r-s contenente un generatore reale di tensione si potrà scrivere
(II.14.2) rs
rssrrs
R
E)(I
8 Trattasi di un primo accenno alle tematiche della Compatibilità Elettromagnetica, campo di
grande attualità non solo nel campo delle Misure Elettriche, ma anche e soprattutto nella
certificazione di prodotti industriali “generatori” o “vittime” di campi elettrici e magnetici
stazionari e non stazionari.
Rrs
r s Irs
Ers +
Le reti elettriche
II-18
Se il lato contiene un generatore ideale di tensione o di corrente, si potrà
scrivere
(II.14.3) srrsE
(II.14.4) rsrs JI
Se si esprime il bilancio delle tensioni su una maglia mediante i potenziali
nodali, utilizzando la ((II.14.1)) si avrà una identità.
Il bilancio al nodo r potrà essere espresso (escluso il caso in cui nel ramo v’è
solo un generatore ideale di tensione) nel seguente modo:
(II.14.5)
"s
rs
's 's rs
rs
rs
s
's rs's
r
"s
rs
rs
rssr
s
rs JR
E
RRJ
R
E)(I
110
dove s” indica i lati contenenti un generatore di corrente.
Posto
,rnodoalitocortocircudicorrentidellesomma
s)(raconduttanzmutua
r
"s
rs
's rs
rsrcc
rs
rs
's rs
rr
JR
EI
RG
nodoaltanzaautocondutR
G
1
1
dalla (II.14.5) si genera il sistema
(II.14.6)
cc,N
cc
cc
NN,N,N,N
N,
N,
I
...
I
I
...
G...GG
............
G...GG
G...GG
1
2
1
1
2
1
112111
122221
111211
Il sistema quindi risulta di N-1 equazioni nelle incognite potenziali nodali.
La scrittura del sistema (II.14.6) può avvenire quindi per ispezione, cioè per
osservazione diretta della rete. Si hanno complessivamente [2L+N-1] equazioni
nelle incognite tensioni, correnti e potenziali nodali, ma una volta risolto il
sistema (II.14.6) nelle incognite potenziali nodali, le altre 2L equazioni sono del
tipo (II.14.1-2-4) e quindi estremamente semplici.
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-19
Il metodo dei potenziali nodali si presta bene quindi a risolvere la rete con
pochi nodi. Un classico esempio si ritrova nelle “reti a fascio” in cui i rami
collegano due soli nodi (fig.II.14.1)
Fig.II.14.1 –rete a fascio
In questo caso l’incognita è una sola:
(II.14.6)
321
2
2
1
1
111
RRR
JR
E
R
E
V AAB
Tale relazione, generalizzabile ad un numero qualsiasi di lati in parallelo,
prende il nome di formula di Millman
(II.14.6)
'krs
'k "k "k
'k
'k
R
JR
E
1AAB VV
dove il segno – viene inserito nel caso di generatore Ek’ ha il primo morsetto
rivolto verso B e il riferimento per il generatore di corrente è rivolto verso A.
Nel caso di lato contenente un generatore ideale di tensione (Rrs=0) non si
può procedere per ispezione. Tuttavia si può modificare la rete considerando
due generatori di tensione in parallelo e “rimuovendo” un nodo (s): le tensioni e
le intensità di corrente negli altri lati rimangono inalterate, l’intensità di
corrente nel ramo del generatore si ottiene per ricomposizione (fig.II.14.2). In tal
caso l’ordine del sistema si riduce.
Fig.II.14.2 – Eliminazione di un nodo
J
A B
E1 +
E2 +
R1
R2
R3
r s Ir
s
Ers
+
Irs2 s2
r s1 Irs1
+ Ers +
Le reti elettriche
II-20
II. 15 Metodo delle correnti di maglia
Questo metodo è il duale del metodo dei potenziali nodali.
Se in una rete elettrica di ℓ lati si considerano un insieme di ℓ-(n-1) maglie
indipendenti – ad esempio considerando l’insieme dell’albero e di ciascuno
degli ℓ-(n-1) lati del coalbero-, si può associare un riferimento Jk – omogeneo
con una intensità di corrente - “prestato” per continuità dal riferimento per
l’intensità di corrente Ik fissato nel lato del coalbero e “prolungato” all’intera
maglia k-ma (“corrente fittizia di maglia”) (fig.II.15.1).(9)
Le intensità di corrente nei rami dell’albero si ottengono come semplici
combinazioni delle “correnti di maglia” Jk . I “percorsi” Jk entrano ed escono da
ogni nodo per cui i bilanci di corrente ai nodi, scritti in termini di Jk, si
risolvono in identità:
)()()(0)3
)(0)2
)()(0)1
faabbfedc
ffaafea
abbadba
JJJJJJIII
JJJJIII
JJJJIII
Fig.II.15.1 – Correnti di maglia
9 Si ribadisce l’opportunità di assumere intensità e riferimento di Jk congruenti con l’intensità e
riferimento dell’unico lato del coalbero facente parte della k-ma maglia.
Jb
Ja
Jf
Ia
Ib
Ic
1 2
3 4
Id
Ie If
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-21
Si consideri una rete lineare (costituita da bipoli normali). Se si assumono
come incognite ausiliarie le ℓ-(n-1) correnti di maglia , atteso che per una rete
lineare ogni caratteristica di lato potrà essere scritta in termini del tipo (10)
V E Rrs rs rs Jkk ,
si potrà scrivere le ℓ-(n-1) equazioni alle maglie in termini di correnti di
maglia.
Si potrà scrivere quindi un sistema “ridotto” in termini di correnti di maglia
e quindi facilmente ricavare le incognite tensioni e correnti di lato.
I termini della sommatoria sono moltiplicati per un coefficiente (-1) se il
riferimento della corrente di maglia è discorde da quello di Irs.
Nel caso trattasi di un lato del coalbero, la sommatoria delle correnti fittizie si
riduce ad un solo termine.
Anche in questo caso le equazioni possono essere scritte per ispezione. La
matrice dei coefficienti sarà costituita sulla diagonale principale (Rii) dalla
“resistenza di maglia” ottenuta sommando le resistenze che si incontrano nei
lati della maglia, i termini fuori diagonale (Rij=Rji) rappresentano la somma dei
valori delle resistenze dei lati comuni alle maglie i e j, i termini noti sono
collegati alle “tensioni a vuoto” di maglia, il tutto in modo perfettamente duale
al metodo dei potenziali nodali.
La presenza di un generatore di corrente ideale in un lato rende non
immediatamente praticabile il metodo per ispezione. Il lato che lo contiene però
può essere scelto come lato del coalbero e dar luogo ad una corrente di maglia
di valore noto, per cui si riduce l’ordine del sistema.
In alternativa, se un lato contiene un generatore ideale di corrente Jrs (Grs=0)
direttamente in parallelo ad un resistore R*rs (cioè ci si trova di fronte ad un
parallelo equivalente ad un generatore reale di corrente si può si può
modificare la rete considerando il generatore di tensione equivalente (tensione a
vuoto Ers=JrsR*rs, resistenza equivalente R*rs ); se il generatore di corrente non è
direttamente in parallelo ad un resistore, si possono creare nuove “maglie”
elementari, a partire dai morsetti del generatore di corrente ideale, come in
fig.II.15.2; si rientra così più volte nel caso precedente. E’ quindi sempre
possibile utilizzare il la scrittura per ispezione.
10 questa espressione non può essere scritta per un bipolo generatore di corrente ideale; in
questo caso sarà opportuno considerare il ramo contenente il generatore ideale di corrente come
ramo del coalbero: si avrà una corrente “fittizia” di valore noto.
Le reti elettriche
II-22
Jrs
J
r
s
Fig.II.15.2 – Rottura di una maglia contenente un generatore di corrente ideale
Il metodo delle correnti di maglia si ritrova particolarmente utile quando il
numero delle maglie è basso rispetto al numero dei lati e/o quando vi siano
molti generatori di corrente.
Ad esempio la figura poligonale sotto indicata (fig.II.15.3) (con numero di lati
perimetrali del poligono qualsiasi), alimentata da generatori di corrente, dà
luogo ad una sola equazione nella corrente di maglia J, ricavandosi poi
rapidamente tutte le grandezze (Millmann ):
rs
rsrsrs
R
ERJJ
dove il segno (-) va adoperato nel caso di discordanza tra il riferimento di J e il
verso r-s
fig.II.15.3 – Rete ad anello
r s Jrs
u
r s Jru=Jrs
u
Jus=Jrs
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-23
II.16 N-poli
Una rete accessibile da N morsetti (poli) 1,2..,N prende genericamente il
nome di N-polo; una rete accessibile da N coppie (porte) di morsetti ordinati (1-
1’),(2-2’),...,(N-N’) prende il nome di N-bipolo; una rete accessibile da N m-ple
di morsetti (1-1’-1”-...-1(m)),..., (N-N’-N”-...-N(m)) prende il nome N-m-polo (N-
porte di m poli). Nel caso di una sola coppia di morsetti ordinati si ritrova il noto
bipolo.
La caratterizzazione degli N-bipoli può essere effettuata a partire dalla scelta
della convenzione sulle singole porte (ad esempio può essere scelta per tutte le
porte la convenzione dell’utilizzatore). Le singole porte possono poi essere
alimentate con generatori di tensione o di corrente (vedi §II.17).
La caratterizzazione dell’ N-polo viene in genere effettuata fissando per
l’intensità della corrente elettrica un riferimento congruente su tutte le porte (ad
esempio un riferimento entrante); poiché la rete rappresenta una struttura
limitata, le intensità di corrente, supposto un funzionamento stazionario, sono
tra loro dipendenti. Per il principio di conservazione della carica sarà infatti
(II.16.1) 01
N
k
kI
Nella scelta della caratterizzazione dell’N-polo – su base corrente o su base
tensione – si dovrà tener conto sia della (II.16.1)che della conservazione del
campo elettrico stazionario.
Sono previste per i generatori due configurazioni fondamentali: nella
configurazione concatenata i morsetti dei generatori sono collegati in sequenza
tra i poli 1_2,2_3, 3_4…,(N-1)_N,N_1, nella configurazione stellata un morsetto
del generatore è collegato al polo k e l’altro ad un morsetto esterno O (centro
stella) in comune con gli altri generatori.
L’alimentazione in corrente non potrà prevedere quindi N generatori stellati
di corrente di valore arbitrario I1,I2,…,IN: l’N-mo è dipendente dagli altri N-1.
Possono viceversa essere previsti N generatori arbitrari di corrente concatenati
J12,J23,…,JN1.
L’alimentazione in tensione non potrà prevedere N generatori concatenati di
tensione V12,V23,…,VN1 di valore arbitrario, essendo nulla la somma dei loro
valori. Possono viceversa essere previsti N generatori di tensione stellati
E1,E2,…,EN di valore arbitrario, collegati ad un centro stella esterno comune.
Le reti elettriche
II-24
Ci si limiterà in questa sede alla caratterizzazione di N-poli lineari passivi
alimentati da generatori di tensione stellati.
Le intensità delle correnti I1,I2,…,IN (dette anche correnti di linea) possono
essere ottenute come somma dei contributi dei singoli generatori E1,E2,…,EN (di
valore arbitrario); tali contributi, trattandosi di rete lineare, sono proporzionali a
valori E1,E2,…,EN ; i coefficienti di proporzionalità sono omogenei a conduttanze
e saranno indicati con Gjk, dove l’indice j si riferisce alla linea (al polo) e l’indice
k al generatore di tensione stellata; per j=k tale coefficiente ha il significato
ordinario di conduttanza equivalente ai morsetti del generatore k (quando gli
altri generatori sono spenti) e, pertanto, prende il nome di conduttanza propria o
autoconduttanza del polo j; nei casi in cui j è diverso da k, si parlerà di
conduttanza mutua tra i poli j e k.
Le relazioni tra correnti di linea e tensioni stellate
I1=G11E1+G12E2+…+G1NEN
I2=G21E1+G22E2+…+G2NEN
(II.16.2) …………………………….
IN=GN1E1+GN2E2+…+GNNEN
può essere riscritta in forma matriciale (prodotto righe per colonne)
(II.16.3) EGI
dove I rappresenta l’array (riga) delle correnti di linea ed E l’array (colonna)
delle tensioni stellate. La (3) ricorda la legge di Ohm per il bipolo.
La matrice delle conduttanze
(II.16.4)
NNNN
N
N
GGG
GGG
GGG
G
..
........
..
..
21
22221
11211
gode delle seguenti proprietà :
a) ha rango inferiore a N ed il suo determinante è nullo: la matrice non
è invertibile;
b) gli elementi della diagonale principale (autoconduttanze) sono
quantità non negative;
c) le conduttanze mutue non possono essere positive (11);
11
se ad esempio G12 fosse positiva, si avrebbe, alimentando con un generatore E2=1 V, una
intensità di corrente positiva I1 secondo il riferimento entrante del polo 1; avremmo quindi,
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-25
d) per il principio di non amplificazione delle correnti l’intensità di
corrente Ij erogata dal generatore j-mo non potrà mai essere inferiore in modulo
alla intensità Ik≠j; si avrà quindi GjkGjj;
d) il calcolo di Gjk e di Gkj si effettua su schemi reciproci, quindi per il
teorema di reciprocità Gjk=Gkj;
e) considerando che la (1) deve valere qualunque siano i valori delle
tensioni dei generatori stellati, si ricava dalla (2) che la somma di tutti i
coefficienti di una colonna (e quindi di riga) è nulla (12).
In definitiva, il numero degli elementi “essenziali” di una matrice delle
conduttanze si ottiene considerando che la matrice è simmetrica e che gli
elementi della diagonale principale possono ottenersi a partire dalle
conduttanze mutue di riga o colonna; tale numero vale quindi (N2-N)/2 ossia
N(N-1)/2 . Tale risultato corrisponde alle combinazioni senza ripetizione di N
elementi su due posti e quindi al numero di lati in un grafo ridotto completo
con N nodi propri.
Si può quindi pensare di associare ad un N-polo una rete equivalente che si
ottiene considerando un grafo ridotto completo attestato su N nodi, ciascuno
corrispondente ad un polo; la figura che si genera viene chiamata poligono
completo (13).
Si può facilmente mostrare che se si parte da un N-polo strutturato come
poligono completo con resistori di resistenza Rjk tra i poli j e k, la conduttanza
mutua Gjk di tale N-polo è pari a –1/Rjk.
In altri termini, vi è una corrispondenza biunivoca tra gli elementi Gjk di
mutua conduttanza di un N-polo e le resistenze Rjk di un poligono completo di
resistori. Quindi si può “trasformare” un N-polo qualsiasi in un poligono
completo di resistori di N vertici (14).
Con riferimento a strutture a “stella”, di fondamentale impiego nella
distribuzione dell’energia elettrica, ci si chiede se è possibile trasformare un N-
nella rete resistiva alimentata dal solo generatore E2, un nodo interno a potenziale inferiore al
potenziale del secondo morsetto del generatore, che è a potenziale minimo (se la tensione del
generatore è positiva); 12 Poiché l’unica autoconduttanza deve essere non negativa, si conferma che il valore assoluto
delle conduttanze mutue, non positive, deve essere inferiore al valore della autoconduttanza; in
particolare, se quest’ultima è nulla, saranno nulli tutti gli elementi di colonna o di riga . Se
l’autoconduttanza è nulla, il polo corrispondente è “isolato” dagli altri.
13 Trattasi di un ordinario poligono di n vertici, diagonali comprese.
14 E’ da notare che con tale trasformazione scompaiono tutti i nodi interni della rete originaria.
Se si volessero avere indicazioni, ad esempio, sui potenziali dei nodi interni, occorrerebbe
ricavare tali valori a parte.
Le reti elettriche
II-26
polo generico (o anche un poligono) in una stella di N resistori. La condizione
necessaria è che sia N(N-1)/2=N. Tale operazione sarà quindi possibile solo nel
caso N=3 (trasformazione triangolo-stella) (15).
15 Ovviamente, ad ogni stella è sempre associabile un poligono completo equivalente. Si abbia
una stella di resistori di centro O; sia Rio la resistenza del resistore tra il polo i-mo ed il centro
stella. L’autoconduttanza al polo i-mo si otterrà valutando la serie tra Rio ed il parallelo tra le
rimanenti resistenze:
N
ikk k
i
ii
R
R
G
)(;1 0
01
1
1
La conduttanza mutua Gij si otterrà considerando il partitore di corrente
N
ikk k
i
N
ikk k
jo
iiN
ikk k
jo
ii
i
j
i
i
i
j
i
j
j
i
ij
R
RR
RG
R
RG
I
I
E
I
I
I
E
I
E
IG
)(;1 0
0
)(1 0)(1 01
1
1
1
1
1
1
Queste espressioni permettono di costruire il poligono completo di resistori (ij
ijG
R1
)
Se N=3 si ha la trasformazione stella triangolo
20
302030102010
31
31
10
302030102010
23
23
30
302030102010
3020
302010
30
2030
20
3020
10
3020
12
12
1
1
1
11
111
1
R
RRRRRR
GR
R
RRRRRR
GR
R
RRRRRR
RR
RRR
R
RR
R
RR
RRR
GR
Sommando le tre relazioni membro a membro si ha
R10
Rn0 In
R20
Y
I1
I2
Ii
Ei +
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-27
II. 17 N-bipoli
Si ricorda che una rete accessibile da N coppie (porte) di morsetti ordinati
(1-1’),(2-2’),...,(N-N’) prende il nome di N-bipolo (N-porte).
La caratterizzazione degli N-bipoli può essere effettuata a partire dalla
scelta della convenzione sulle singole porte (ad esempio può essere scelta per
tutte le porte la convenzione dell’utilizzatore). Le singole porte possono poi
essere alimentate con generatori di tensione o di corrente. Non vi è alcun
vincolo per le tensioni e le correnti.
Nella scelta della caratterizzazione dell’N-bipolo – su base corrente o su base
tensione – si potrà procedere come per l’N-polo, ricordando che non ci sono
vincoli per i generatori.
Sono previste per i generatori due configurazioni fondamentali
(alimentazione in corrente e alimentazione in tensione) ed altre ibride
(generatori di corrente su alcune porte e di tensione su altre).
L’alimentazione fondamentale in corrente prevede quindi N generatori di
corrente di valore arbitrario I1,I2,…,IN.
L’alimentazione fondamentali in tensione prevede N generatori di tensione
V1,V2,…,VN di valore arbitrario applicati alle N porte.
Ci si limiterà in questa sede alla caratterizzazioni di N-bipoli lineari passivi
nelle configurazioni fondamentali, sottolineando però che vi sono numerose
configurazioni ibride di un certo rilievo e diffusione, il cui modello è facilmente
ricavabile.
Le relazioni tra correnti e tensioni alle porte (alimentazione su base tensione) è
la seguente
I1=G11V1+G12V2+…+G1NVN
2312
20302010
2
302030102010
302010
302030102010312312
1111RR
RRRR
RRRRRR
RRRRRRRRRRRR
da cui
312312
2331
30
312312
3112
10
312312
2312
20
RRR
RRR
RRR
RRR
RRR
RRR
Tali relazioni costituiscono la trasformazione triangolo-stella.
Se le tre resistenze della stella sono uguali (R10=R20=R30=RY) anche le tre resistenze del triangolo
sono uguali (R12=R23=R31=R) e si avrà RY=R/3.
Le reti elettriche
II-28
I2=G21V1+G22V2+…+G2NVN
……………………………. (II.17.1)
IN=GN1V1+GN2V2+…+GNNVN
che può essere riscritta in forma matriciale
(II.17.2)
dove I rappresenta l’array (riga) delle correnti ed V l’array (colonna) delle
tensioni.
La matrice delle conduttanze
NNNN
N
N
GGG
GGG
GGG
G
..
........
..
..
21
22221
11211
(II.17.3)
gode delle seguenti proprietà :
- a) ha rango uguale a N ed il suo determinante non è nullo: la matrice è
invertibile;
- b) gli elementi della diagonale principale (autoconduttanze) sono quantità
positive;
- c) le conduttanze mutue possono essere positive o negative;
- d) per il principio di non amplificazione delle correnti l’intensità di
corrente Ij erogata dal generatore j-mo non potrà mai essere inferiore in
modulo alla intensità Ik≠j; si avrà quindi GjkGjj;
- d) il calcolo di Gjk e di Gkj si effettua su schemi reciproci, quindi per il
teorema di reciprocità Gjk=Gkj.
In definitiva, il numero degli elementi “essenziali” di una matrice delle
conduttanze si ottiene considerando che la matrice è simmetrica; esso vale
quindi [N+ (N2-N)/2] ossia N(N+1)/2 .
Poichè la matrice è invertibile, si può anche considerare la relazione
IRIGV 1
dove la matrice delle resistenze è l’inversa della matrice delle conduttanze. E’
appena il caso di notare che l’elemento Rij non è l’inverso di Gij; basti pensare,
tra l’altro, che gli elementi della matrice delle conduttanze vengono ricavati in
VGI
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-29
condizioni di cortocircuito su N-1 porte, gli elementi delle resistenze in
condizione di aperto su N-1 porte.
II. 18 Doppi bipoli
Nel caso di due coppie di morsetti la matrice delle conduttanze e quella delle
resistenze avranno 3 elementi indipendenti (due di auto e uno di mutua).
Il modello su base corrente
(II.18.1)
porta a considerare uno schema equivalente a T (T1 o T2 a seconda che sia Rm
positivo o negativo), in cui
mb
ma
mc
RRR
RRR
RR
22
11
fig.18
Il modello su base tensione
22212
21111
VGVGI
VGVGI
m
m
porta a considerare uno schema equivalente a Π (Π1 o Π2 a seconda che sia Gm
negativo o positivo), in cui
mb
ma
mc
GGG
GGG
GG
22
11
Fig.19
Nei modelli ibridi, vengono presi come base altri abbinamenti di grandezze
alle due porte : ad esempio nel modello
2221212
2121111
VhIhI
VhIhV
la matrice di connessione non è omogenea: h11 è la resistenza primaria di
cortocircuito ( resistenza equivalente ai morsetti 1-1’ con tensione nulla tra 2 e 2’),
h22 è la conduttanza secondaria a vuoto ( conduttanza equivalente ai morsetti 2-2’
con intensità di corrente nulla ai morsetti 1-1’), i termini mutui sono
22212
21111
IRIRV
IRIRV
m
m
2’
2
R
1
1’
2
2’
T1 T2
2’
2
Ra Rb
Rc
1
1’
T1
2
2’
Ra Rb
Rc
1
1’
T2
Gc
Ga
Gb
1
1’
Π1
2
2’
Gc
Ga
Gb
1
1’
Π2
Π1 Π1
Le reti elettriche
II-30
adimensionali e diversi (h12 è un fattore di partizione di tensione con porta
primaria a vuoto, h21 è un fattore di partizione di corrente con porta secondaria
in cortocircuito)(16).
Con la matrice di trasmissione T si intende proporre un modello utile per
rappresentare il collegamento in cascata di doppi bipoli, in cui la porta secondaria
del primo doppio bipolo viene collegata alla porta primaria del secondo doppio
bipolo, e così via. A tal fine risulta utile considerare la convenzione del
generatore sulla porta secondaria di ciascun doppio bipolo, in modo da far
risultare la convenzione dell’utilizzatore sulla porta primaria del doppio bipolo
successivo:
......I
VTT
I
VT
I
V
ITVTI
ITVTV
3
3
21
2
2
1
1
1
2222211
2122111
Fig.20
Gli elementi della diagonale principale della matrice T sono adimensionali
e possono anche essere negativi.
II. 18.1 Potenza assorbitai da doppi bipoli
Consideriamo ad esempio un doppio bipolo pilotato in corrente (II.18.1). La
potenza assorbita vale: 2
22221
2
1112211 2 IRIIRIRIVIVP m
Essendo 2
1111
11 I
R
R
R
VI m , si ha 2
2
11
2
22
11
2
1 IR
RR
R
VP m
. Il termine tra parentesi
corrisponde alla resistenza vista dalla porta 2 quando la porta 1 è
cortocircuitata, ossia l’inverso della autoconduttanza alla porta 2 ; pertanto la
potenza assorbita da un doppio bipolo resistivo consta di due termini
11
2
2
11
2
1
G
I
R
VP
Uno pari alla potenza assorbita alla porta primaria quando la seconda porta è
aperta (“potenza primaria a vuoto”, misurabile con una prova a vuoto) ed
l’altro legato alla potenza assorbita alla porta secondaria quando il primario è in
cortocircuito (“potenza secondaria di cortocircuito”, valutabile con una prova di
cortocircuito).
16
Si può dimostrare che risulta h12=-h21 applicando il teorema di Tellegen alle due citate
configurazioni di rete (terza forma del teorema di reciprocità).
1T
2T
V1 V2 V3
I1 I2 I3
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-31
§II.19 Trasformatore ideale
Trattasi di un doppio bipolo ideale, caratterizzabile con parametri ibridi o,
più semplicemente dalle relazioni v1/v2=a , i1/i2=-1/a (a - detto rapporto di
trasformazione- è numero reale diverso da zero). Esso può essere letto come
trasformatore di tensione e/o di corrente. Le tensioni e le correnti s’intendono
costanti o variabili nel tempo. Il trasformatore ideale è trasparente alla potenza.
Infatti
2222222
2111 ieppiva
iavivp genassass
Fig.II.19.1 – Il trasformatore ideale
Il trasformatore ideale è convenzionalmente rappresentato come in fig.21.
Avuto riguardo alla proprietà di trasparenza alle potenze, è diffuso l’uso di
considerare la convenzione dell’utilizzatore alla porta 1 e quella del generatore
alla porta 2.
Il trasformatore ideale è anche un trasformatore di resistenze; infatti se si collega
un resistore di resistenza R alla porta 2, la resistenza equivalente alla porta 1
vale (17):
ueq Rai
ea
i
va
a
i
av
i
vR 2
2
22
2
22
2
2
1
11
Fig.II.19.2 – trasformazione di resistenze
17 Per questa ragione si è usato spesso tale connessione per realizzare (in elettronica) un adattamento della
resistenza o meglio dell’impedenza, come si vedrà in seguito. Caso tipico è un altoparlante che per
funzionare con la massima potenza deve essere adattato all’amplificatore (come ben sanno gli appassionati
di audio ad alta fedeltà).
1
1’
2
2’
i1 i2 a
v1 v2
1
1’
2
2’
i1 i2 a
v1 e2
1
1’
2
2’
i1 i2 a
v1 v2 Ru
1
1’
2
2
’
i1 i2 a
v1 e2 Ru
Le reti elettriche
II-32
II.20 Doppi bipoli dinamici
Si consideri un doppio bipolo ed una relazione del tipo
(II.20.1)
dt
diL
dt
diMv
dt
diM
dt
diLv
2
2
1
2
21
11
Tale relazione è tipica del mutuo induttore ideale; in tale componente
possono essere considerati i flussi di campo magnetico concatenati con due
circuiti: il flusso concatenato con un circuito avrà un contributo collegato alla
corrente del primo circuito (flusso di autoinduzione) ed un contributo legato
alla corrente dell’altro circuito (flusso di mutua induzione):
(II.20.1) 221212
212111
iLiM
iMiL
Si può dimostrare che i due coefficienti di mutua sono uguali (18) e che
21
2 LLM
Nel caso sia 21
2 LLM (condizione di accoppiamento perfetto) l’energia magnetica
(II.20.1) 21
2
22
2
11212
1
2
1),( iMiiLiLiiwm
diventa un quadrato perfetto di un binomio ed è facile vedere che essa è nulla
per infinite coppie di valori delle intensità delle correnti │ i1/i2│= 21 LL . In
tali casi è il campo magnetico è nullo in tutto lo spazio.
Si vedrà più avanti (§IV.2) che il mutuo induttore è in genere un doppio bipolo
dinamico del secondo ordine, riducibile ad uno del primo ordine nel caso di
accoppiamento perfetto ed addirittura approssimato, sotto alcune ipotesi, da un
doppio bipolo di ordine zero.
18 Si consideri che il flusso Φ21 del campo di induzione magnetica B1 prodotto da una spira (o
avvolgimento) γ1 interessata da corrente di intensità i1 e concatenato con una linea chiusa (spira o
avvolgimento) γ2, ossia attraverso una superficie Sγ orlata dalla linea γ è, per il teorema di Stokes, pari
alla circuitazione del potenziale vettore A (definito dalla relazione B=rot A):
2 12 12
21
12
102
12
11022112121
44
dldl
r
idl
r
dlidliM 21
2
1 ttt
ttA . Allo stesso modo può essere
calcolato
2
11221212
dliM tA . Si deduce che i due coefficienti di mutua sono uguali. Allo stesso
risultato si perviene considerando che l’energia magnetica associata ad una coppia di valori (i1,i2) è
funzione solo di questi valori e quindi il differenziale 12212112 diiMdiiMdWM deve risultare esatto,
ossia deve essere 2112 MM .
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-33
II. 21 Reti con generatori dipendenti
La struttura del modello del doppio bipolo si presta ad una interpretazione
“circuitale” diversa, riprendendo il principio di sostituzione. Ad esempio il
modello su base tensione può essere interpretato con il contributo di generatori
“dipendenti o pilotati” (Im1 e Im2 ) rappresentati con losanghe negli schemi di
fig.II.21.1, il cui valore dipende da una grandezza di controllo che è una
grandezza della stessa rete o di altra rete.
(II.21.1) 222122212
211121111
VGIVGVGI
IVGVGVGI
mm
mm
Fig.II.21.1 – uso dei generatori pilotati
I generatori di fig. II.21.1 sono generatori di corrente pilotati in tensione. Possono
essere considerati anche generatori di corrente pilotati in corrente, generatori di
tensione pilotati in tensione o in corrente.
Per la robustezza del modello anche in questo caso la soluzione resta unica (con
ovvia attenzione ai casi patologici).
In presenza di generatori dipendenti potranno essere applicati tutti le proprietà
delle reti lineari, tenendo conto che il generatore non è caratterizzato da un
valore, ma da una funzione.
Andranno quindi valutati con attenzione, ad esempio, i parametri del
generatore equivalente ai morsetti di una rete contenente generatori dipendenti
(19).
Nei circuiti di segnale (per l’elettronica) i generatori dipendenti hanno una
consistente diffusione.
II.22 L’amplificatore operazionale
A partire dai progressi tecnologici ottenuti nel secondo dopoguerra su
amplificatori elettronici commerciali si è introdotto l’amplificatore operazionale
19
Ad esempio per il calcolo della resistenza equivalente non potranno essere “spenti” i
generatori dipendenti.
1
1’ 2’
i1 i2
v1
v2 G22
Im1 Im2
Le reti elettriche
II-34
come un n-polo costituito da due morsetti (+,-) in ingresso, due morsetti di
uscita ed un (eventuale) polo comune (M : massa) agli ingressi ed alle uscite
(fig.II.22.1).
Fig.II.22.1 – Amplificatori operazionali
Per valori molto contenuti della tensione di ingresso si possono ottenere
tensioni in uscita di molti ordini di grandezza superiore. La caratteristica è
lineare fino alla saturazione della tensione di uscita. Si definisce il guadagno in
tensione come i
uv
v
v (20).
Ai morsetti d’ingresso tensioni e correnti sono trascurabili rispetto ai valori in
uscita. Se si pone I+=I-=0 e vi=0 si realizza ai morsetti di ingresso il bipolo
nullatore; se si ipotizza che ai morsetti di uscita si può avere qualunque valore di
tensione ed intensità di corrente, si è di fronte al bipolo noratore (21).
20
Le intensità delle correnti in ingresso sono dell’ordine del micro o del nano ampere; le
tensioni di ingresso di qualche microvolt determinano tensioni di uscita fino a 10-15 V, con
guadagni dell’ordine del milione. 21
La caratteristica del bipolo nullatore si riduce ad un punto (l’origine); la caratteristica del
bipolo noratore è l’intero piano I-V.
vi
vu
uδ
-uδ
Vs
-Vs
i+
v+
v-
i-
M
αv vi
vu
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-35
II.23 Esempio n.3 di risoluzione completa di una rete lineare
Sia assegnata la rete:
Fig.II.23.1– Rete assegnata –
Valori: Ra=10 Ω ; Eb=4 V; Rb=2 Ω;Rc=10 Ω ;Ed=5 V; Rd=5 Ω;J*e=1 A; Rf=2 Ω
STUDIO GENERALE
La rete presenta L=6 lati (a,b,c,d,e,f) e N=4 nodi (1,2,3,4).
Il suo grafo (non orientato) è il seguente:
Fig.II.23.2 – Grafo non orientato
Per risolvere la rete occorre ovviamente fissare preliminarmente le L incognite tensioni vk e le L
incognite intensità di corrente ik (k=1…L); queste possono essere fissate
I) ad arbitrio ( è quello che faremo nel seguito);
II) in modo sistematico, adoperando per tutti i lati la stessa convenzione e ricorrendo
al grafo orientato (fig.II.23.3); ad esempio, orientando il lato a da 1 a 2, e riferendosi
alla convenzione dell’utilizzatore, saranno fissate automaticamente le incognite (v12
ed i12 ); questa procedura è opportuna nell’impiego di codici di calcolo numerico.
Je*
A
Rd
A
Rc
A
+
Eb
+
Ed
Ra
A
Rb
Rf
A
1 A
2 A
3 A 4
A
1 A
2 A
3 A 4
A
a A
f A
e A
d A
c A
b A
Le reti elettriche
II-36
Fig.II.23.3 – Grafo orientato
1 A
2 A
3 A 4
A
a A
f A
e A
d A
c A
b A
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-37
SCELTA ARBITRARIA DELLE INCOGNITE E SCRITTURA DEL SISTEMA
FONDAMENTALE
Si assegnano ad arbitro le 2ℓ incognite (fig..II.23.4)
Fig.II.23.4 – Riferimenti assegnati per le incognite
Si individua un possibile albero della rete ed il relativo coalbero (fig.5)
Fig. II.23.5 – Albero (lati a-b-c; sequenza nodi 1-2-3-4)
Si scrivono i bilanci delle intensità di corrente a (N-1) nodi; è opportuno pesare le intensità di
corrente sempre nello stesso modo [es: (+1) se il riferimento è uscente, (-1) se è entrante, (0)
se non c’e incidenza)
Nodo 1) (+1)ia+ (0)ib+(0)ic+(+1)id+(-1)ie+(0)if=0
Nodo 2) (-1)ia+ (+1)ib+(0)ic+(0)id+(0)ie+(+1)if=0
Nodo 3) (0)ia+ (-1)ib+(-1)ic+(0)id+(+1)ie+(0)if=0
Si scrivono i bilanci alle maglie indipendenti ottenute appoggiando all’albero il singolo lato
del coabero; è opportuno percorrere le maglie in modo congruente.
Lato d), sequenza 1341: v12+v23+v34+v41=0, ossia
+ _
Je
A
Rd
A
Rc
A
+
Eb
+
Ed
Ra
A Rb
Rf
A
1 A
3 A 4
A
ia
A
ib
A
id
A
ie
A
if
A
vc
A
+
A
_
+
A
+
A
+
A
2 A
ic
A _
_
_
vd
A
vb
A
+
A
_
ve
A
va
A
vf
A
1 A
2 A
3 A 4
A
a A
f A
e A
d A
c A
b A
Le reti elettriche
II-38
(+1)va+ (+1)vb+(-1)vc+(-1)vd+(0)ve+(0)vf=0
Lato e), sequenza 1231:
(+1)va+ (+1)vb+(0)vc+(0)vd+(-1)ve+(0)vf=0
Lato f), sequenza 2432:
(0)va+ (-1)vb+(+1)vc+(0)vd+(0)ve+(+1)vf=0
Restano le equazioni caratteristiche:
a) va- Raia =0
b) vb- Rbib =Eb
c) vc- Raic =0
d) vd- Rdid = Ed
e) ie = -Je*
f) vf- Rfif =0
METODO DEI POTENZIALI NODALI
Si indichino con ϕ1,ϕ2,ϕ3,ϕ4 i “potenziali” dei quattro nodi di fig.II.23.1. Si ponga ϕ4=0 . Le
tensioni incognite sono funzioni immediate dei potenziali nodali. Dalle equazioni
caratteristiche si ha
a) a
aR
i 21
b) b
bb
R
Ei
32
c) a
aR
i 21
d) d
dd
R
Ei
1
e) ie = -Je
f)
f
fR
i 2
e le equazioni ai nodi si scrivono
Nodo 1) e
d
d
ada
e
d
d
a
JR
E
RRRJ
R
E
R
1110 21
121
nodo 2)
b
b
bfbaafb
b
a R
E
RRRRRRR
E
R
111110 321
23212
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-39
Nodo 3) b
be
cbbcb
be
R
EJ
RRRRR
EJ
1110 32
323
ossia
1
2
0
10
6
2
10
2
1
10
11
10
1
010
1
10
3
1110
11111
0111
3
2
1
3
2
1
cbb
bfbaa
ada
RRR
RRRRR
RRR
da cui:
];V[];V[];V[117
20
117
210
117
70321
a) ]A[R
ia
a117
1421
; ]V[va117
14021
b) ]A[R
Ei
b
bb
117
1192
117
11532
; Vvb117
23032
c) ]A[R
ic
c117
23
; Vvc117
203
d) ]A[R
Ei
d
dd
117
1031
117
141
; Vvd117
701
e) ie = -Je=-1 [A]; Vve117
9031
f) ]A[R
if
f117
1052
; Vv f117
2102
Le reti elettriche
II-40
CONSERVAZIONE DELLA POTENZA
Se si effettua la somma pesata dei prodotti tensioni-corrente per i vari lati [ad esempio
associando un peso (+1) alla potenza assorbita ed un peso (-1) alla potenza generata] si
ottiene
02205105372142737196117
10
211059)117(7)103(22)23)(119()14)(14(117
10
2
2
ffeeddccbb
lati
aakk iviviviviviviv
In particolare, la potenza associata ai vari lati vale
mWivp
mWivp
mWivp
Wmivp
mWivp
mWivp
fff
eee
ddc
ccb
bbb
aaa
1610117
22050
769117
90
520117
7210
3117
40
2000117
27370
143117
1960
2
2
2
2
2
Si possono fare le seguenti osservazioni:
- la potenza associata al lato e) è una potenza erogata (è associata in fig.II.23.4 la
convenzione del generatore): il generatore di corrente, in questo caso, eroga una
potenza negativa; questo non deve meravigliare, basti considerare che i lati con
generatore di tensione assorbono una potenza negativa;
- lasciando i valori in fratti, il bilancio di potenze è esatto; sviluppando le divisioni con
una normale calcolatrice si osserva che risulta un errore di 6 mW, errore trascurabile
rispetto ai valori medi di potenze, ma enorme rispetto alla potenza del lato b (errore
relativo del 200%!!); gli ingegneri dovrebbero fare attenzione a “trappole numeriche”
come questa, molto più frequenti di quanto si immagini.
G. Lupò – Appunti dalle lezioni di Elettrotecnica - Capitolo II – settembre 2016
II-41
METODO DELLE CORRENTI DI MAGLIA
Si considerano le maglie indipendenti ottenute appoggiando all’albero uno alla vola i lati
del coalbero e si attribuisce un percorso orientato congruentemente alla intensità di corrente
del lato del coalbero; questo percorso viene classificato come “corrente di maglia” e ad esso
viene attribuito una “intensità di corrente” come prima definito. Con riferimento alla fig. 5
avremo quindi le correnti di maglia Jd=id, Je=ie e Jf=if. (fig.II.23.6).
Fig.6
Fig.II.23.6
Le equazioni alle tre maglie indipendenti si scrivono in funzione delle correnti di maglia. Se
vi sono nella rete lati con generatori ideali di corrente, scegliendoli come appartenenti al
coalbero, si avranno delle ovvie semplificazioni. Nel nostro caso Je=-Je* e quindi potremo
scrivere due sole equazioni
0
0
bedfbdfcff
edabfedbfdcddd
EJJJRJJRJR
JJREJJJRJJREJR
Tenendo conto dei valori noti
*
*
ebbdbcfbcf
eabdbfbcdabcd
JREJRRJRRR
JRREEJRRJRRRR
21214
131227
df
fd
JJ
JJ
da cui si ritrova
][117
103
][117
105
AJ
AJ
d
f
.
1 A
2 A
3 A 4
A
a A
f A
e A
d A
c A
b A Jd=id
Je=ie
Jf=if