Corso di Elettrotecnica · 2017-06-12 · Corso di Elettrotecnica aa. 2016/17 allievi CdS...

Corso di Elettrotecnica aa. 2016/17

allievi CdS Ingegneria AerospazialePresentazione del 1 Giugno 2017

G. Lupò

112/06/17 Corso di Elettrotecnica per Meccanici (M-Z) - Anno Accademico 2016/17

II - APPLICAZIONI FONDAMENTALI

• II.1 Trasformatori

• II.2 La conversione elettromeccanica

• II.3 Le macchine rotanti - la Macchina sincrona

• II.4 La Macchina asincrona – La Macchina a corrente continua

• II.5 Cavi– Passanti

• II.6 Protezione da sovracorrenti – Sezionatori e Interruttori

• II.7 Protezione da sovratensioni - Scaricatori

• II.8 Elettronica di potenza

• II.9 Progressi e prospettive


II.1 TRASFORMATORI

• II.1a Trasformatore monofase e trifase• II.1b Prove sui trasformatori• II.1c Autotrasformatore• II.1d Sollecitazioni anomale ed avarie


II.1a Trasformatore monofase e trifase

• Rete equivalente trasformatore monofase• Dati di targa:

- Potenza nominale Pn

- Rapporto nominale V1n /V2n

- Tensione di cortocircuito Vcc%

- cos ϕcc

- Gruppo (trifase)412/06/17 Corso di Elettrotecnica per

Meccanici (M-Z) - Anno Accademico 2016/17

5

resina epossidica (EP)

film in poliammide (PA)

alluminio

Avvolgimenti di trasformatori isolati in resina epossidica - EP



GRUPPITRASFORMATORITRIFASEY,y : primario, secondario a stellaD(Δ), d(δ) : primario, secondario a triangoloZ,z: primario, secondario a zig-zag0,5,6,11 Posizione lancette orologio: Ora = tensione primariaMinuti = tens. secondaria[avvolgimenti incolonnati]

7

Film di carta (tipo Kraft) Cartoni per l’isolamento di un avvolgimento

Isolamenti in carta per trasformatori


8

Isolamento in carta di un trasformatore trifase (prima dell’impregnazione con olio)

–foto del 1986

Inserimento della parte attiva isolata in carta nella cassa dell’olio –

trasformatore da 8 MVA – foto del 1922

Trasformatori isolati in carta olio


9

Isolatori passanti per 145 kV

Isolatori passanti per 380 kV

Trasformatori trifase ed isolatori passanti in alta tensione in olio


II.1b Prove sui trasformatori

• Prova a vuoto• Prova in cortocircuito• Prova di sovratensione ad impulso


112I

V1 V2

W

f

A1 T1

1’

2

2’

**

V1 A2

WA1 T1

1’

2

2’

**

Prova a vuoto sui trasformatori

'I10I

*V2

ccV1*V1

1

R1

a 2

2’1’

R2

R0

[a] [b]

2V

01 ='I1I

0I

*V21V

dL1

( )dL 11 1 σ−

dL202 =I1

R1

a 2

2’1’

R2

R0 *V1

Prova in corto circuito sui trasformatori


Prova di sovratensione ad impulsonel Laboratorio Alte Tensioni del DIETI


II.1c Autotrasformatore

14

N (spire comuni)

N*

N1=N+N*N2=N

PRO: ridotto volume di rame, ridotta dispersione magneticaCONTRO: bassa Vcc, avvolgimenti non separati elettricamenteUSO: regolatori di tensione, abbinati ad un trasformatore


II.1d Sollecitazioni anomale ed avarie

• Sollecitazioni elettriche: Cedimento di isolamenti (scariche parziali, breakdown)

• Sollecitazioni termiche: sovratemperature, deterioramento chimico esaltato dai valori relativamente elevati della temperatura, incendi

• Sollecitazioni meccaniche :Danni meccanici

• dilatazione del rame e del ferro

• vibrazioni dovute alle correnti periodiche o al moto delle parti in movimento

• sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti (espansione spire e deformazioni irreversibili dei supporti)


18

•Forza di Lorentz

( )BvEF ×+= qq

II. 2 LA CONVERSIONE ELETTROMECCANICA


Ev=(v x B) : Campo “impresso” sulle cariche (forza specifica) per il solo effetto del moto

19

( )

⋅=−==⋅×=⋅=

∀

∫∫∫γγ

γγγ

γ

ζ dltEVVvBLdltBvdltqF B

,AqABABAB

B

A

B

*,A

q

( ) AB

B

AAB

tagliato LvBdltBvLdtBvdtd

dtd

=⋅×==Φ

∫ζ;)(

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

B

v

Fq

++++

-

A

B

•1. Barretta rettilinea conduttrice di lunghezza LAB in moto “trasversale” rispetto ad un campo magnetico B uniforme:

•Si ha separazione di carica per effetto della forza impressa, creazione di un dipolo elettrico con campo “coulombiano” Eq con equilibrio (a vuoto) Eq +Ev =0 in ogni punto della barretta.

•tensione “impressa” (indotta) tra A e B lungo una linea γ* interna alla barretta

Nell’intervallo di tempo dt la barretta avrà coperto una “superficie” di larghezza vdt, tagliando idealmente le linee di flusso di B. Per tale ragione si parla in gergo di tensione indotta da flusso tagliato:


2. spira (rettangolare) immersa in un campo magnetico uniforme e ruotante con velocità angolare costante Ω

20

B

v

++++++

++

++++

La tensione indotta vale (legge di Faraday-Neumann) .

Il flusso magnetico concatenato con la spira varia nel tempo con legge cosinusoidale (la spira è assunta orizzontale all’istante t=0). Quando il flusso Φ concatenato con la spira è massimo (spira orizzontale), la forza impressa è nulla in ogni punto della spira ed è quindi nulla la tensione indotta; quando la spira è in posizione verticale il flusso concatenato è nullo, ma la forza impressa è massima ed agisce sulle cariche essenzialmente nei lati della spira ortogonali alla figura. La tensione indotta varia con legge sinusoidale. La spira chiusa consente una migrazione di cariche, ossia una corrente elettrica la cui intensità, con il riferimento fissato in figura, è positiva quando il flusso decresce, cioè per mezzo giro. In tale intervallo, il suo effetto è la creazione di un campo magnetico di “rinforzo”, ovverosia essa tende a “mantenere” il flusso concatenato.

dtddlt

qF

dltE qi

Φ−=⋅=⋅ ∫∫


II.3 LE MACCHINE ROTANTI

• Se il campo B è un campo stazionario (di

un magnete permanente o di un elettromagnete) ed l’intensità di corrente i è costante, si ha la macchina a corrente continua.

• Se il campo B è variabile con legge sinusoidale, la corrente i(t) può essere ottenuta per induzione elettromagnetica; è possibile far sì da avere una coppia motrice significativa ed avremo la macchina in corrente alternata;

• Possiamo ottenere una corrente indotta in una spira libera di ruotare (rotore) attraverso un campo di un magnete rotante (macchina sincrona).

• Per ottenere un campo rotante si può anche considerare l’effetto di tre (o px3, con p numero naturale) solenoidi disposti simmetricamente (con assi a 120°) sulla periferia di uno statore (parte fissa della macchina), alimentati da una terna di correnti simmetriche (sfasate nel tempo di 120°) a pulsazione Ω (macchina asincrona)..


La macchina sincrona


• Sul rotore è generalmente installato l’induttore ( che con il suo movimento può creare un campo magnetico rotante);

• L’induttore può essere a coppie di poli salienti o liscio (p coppie polari equivalenti)[e: espansioni; n: nuclei]

• Sull’indotto sono ricavate delle cave per l’alloggiamento dei conduttori di fase

• L’induttore a poli salienti è sagomato in modo che il profilo del campo al traferro sia sinusoidale sul periodo pari a doppio del passo polare

• Sistemando in modo simmetrico i conduttori di tre avvolgimenti, dal moto del rotore possiamo ottenere, a vuoto, una terna simmetrica di tensioni (funzionamento da alternatore sincrono trifase) .

• Alimentando gli avvolgimenti di statore con una terna simmetrica di correnti, possiamo avere il funzionamento da motore sincrono, meno usato nelle applicazioni terrestri perché fissata la frequenza di alimentazione è fissato il numero di giri n=60f/p dove f è la frequenza di alimentazione e p il numero delle coppie polari. Oggi trova grande impiego nella propulsione navale elettrica.


II.4 La macchina asincrona


Campo magnetico rotante nella macchina asincrona

• Un avvolgimento distribuito su una porzione di statore produce al traferro un campo magnetico alternativo nello spazio e sinusoidale nel tempo

• Una terna di avvolgimenti distribuiti simmetricamente sulla periferia dello statore (coppia polare) produce al traferro un campo magnetico equivalente rotante

• L’evidenza del campo rotante si desume anche dalla scomposizione formale del campo magnetico prodotto dal singolo avvolgimento in due vettori rotanti in senso opposto


Struttura della macchina asincrona


Vista generale della macchina asincrona


Velocità del campo magnetico rotante

• Più terne di avvolgimenti distribuiti simmetricamente sullo statore costituiscono p coppie polari; il passo polare (differenza angolare tra due Nord consecutivi) è pari a 2π/p.

• La velocità di rotazione equivalente del campo rotante è ωs = Ω/p e quindi la velocità di sincronismo della macchina è p volte più bassa (per p=1 e f=50 Hz la velocità è di 50 giri/s ossia 3000 giri al minuto, per p=4 la velocità è 750 giri al minuto).


Scorrimento

• Scorrimento tra campo rotante e rotore :

• s=1 : rotore fermo; s=0 : rotore al sincronismo ; s<0 : rotore lanciato oltre il sincronismo; s>1 : il rotore risulta girare in senso opposto al campo rotante

• Funzionamento da motore (s compreso tra 0 e 1) oppure da generatore (s<0 o s>1)

29

s

rssω

ωω −=


Rete equivalente

• A rotore bloccato, la rete equivalente e simile a quella di un trasformatore con proprietà di sfasatore (la macchina viene detta anche regolatore ad induzione)

• A rotore in moto, la frequenza delle grandezze rotoriche (s ω) è diversa da quelle di statore (ω), per cui non è ammesso l’uso del metodo simbolico

• Si ricorre ad una rete fittizia a pulsazione delle grandezze di statore, imponendo una equivalenza energetica (parità di valori efficaci)


31

−+=→

+

=+

=+

=s

sRRs

R

)X(s

R

E)Ls(R

sE)Ls(R

EI

ddd

ss

122

2

22

22

22

222

2

222

22

ωω


32

BILANCIO ENERGETICO

0501

1

1

2

222

22222

111

.ssPPeconversiondirendimento

P)s(P;sPP

Is

sRIRPPPP)cronasinpotenza(traferroalBilancio

PPPPprimarimorsettiaiBilancio

noms

m

smsCu

mCuFes

sFeCu

≅→−==

−==⇒

−+≈++=

++=

2η


Caratteristica meccanica

33

( )d

Md

Mddd

dds

m

r

mm

LVC

XRsssXXsRsXRR

dsdC

sXRVsR

sXRspER

sp

Is

sR

sPPC

22

21

2

2222

22

222

22

22

212

22

22

222

222

*0)(2)(0

)(1

)()1(

1

)1(

ω

ωωωωω

≡⇒±==⇒=−+⇒=

+

≈

+

=

−

−

=−

==


Avviamento – Regolazione di velocità

34

Per l’avviamento possiamo considerare una variazione di R2 (avviamento reostatico) o una variazione “spontanea” della reattanza di dispersione (motore a doppia gabbia).

La regolazione di velocità non è ampia; possiamo considerare variazioni limitate dello scorrimento. Altrimenti occorrerà variare il numero delle coppie polari.


35

MOTORE ASINCRONO A SEMPLICE E DOPPIA GABBIA (di scoiattolo)


37

Motore asincrono monofase

Si costruisce un secondo avvolgimento interessato da corrente sfasata rispetto alla corrente dell’avvolgimento principale. In questo modo si potrà creare un campo rotante sufficiente a far avviare il rotore che sarà soggetto ad una coppia significativa. Occorre creare un circuito ausiliario prevalentemente capacitivo (condensatore di avviamento). Per piccole potenze.


La macchina a corrente continua


II.5 Cavi - Passanti


41

PORTATE E DENSITÀ DI CORRENTE PER UN CAVO BIPOLARE CON POSA IN ARIA LIBERA

Sezione Portata Densità di corrente mm2 A A/mm2 1,5 24 16 2,5 33 13,2 4 45 11,4 6 58 9,7

10 80 8 16 107 6,7 25 142 5,7


Corso di Elettrotecnica per Meccanici (M-Z) - Anno Accademico 2016/17

42

PORTATA DI CORRENTE PER CAVI ISOLATI IN GOMMA (G7 - G10)

- temperatura di esercizio del conduttore 90°C

- temperatura ambiente per posa in aria: 30°C

- temperatura del terreno per posa interrata: 20°C

- resistività termica del terreno: 100°C cm/W

Sezione

Posa in aria entro tubi o cassette - o cassette appoggiati al muro

Posa in aria libera, cavi appoggiati al muro o sospesi a fune portante

Posa direttamente interrata

3 cavi unipolari

1 cavo tripolare

3 cavi unipolari

1 cavo unipolare

3 cavi unipolari

1 cavo tripolare

mm² A A A A A A

1,5 19,5 19,5 24 23 30 28,5

2,5 26 26 33 32 41 38

4 35 35 45 42 53 49

6 46 44 58 54 67 61

10 63 60 80 75 89 81

16 85 80 107 100 115 104

25 112 105 135 127 149 133

35 138 128 169 157 179 159

50 168 154 207 192 210 188

70 213 194 268 246 260 230

95 268 233 327 298 315 275

120 310 268 383 346 360 312

150 350 300 444 399 405 345

185 392 340 510 456 455 390

240 461 398 607 538 530 460

300 530 455 703 621 585 520

400 605 - 823 - - -12/06/17

43

Cavi in carta impregnata


45

Isolatore passante (bushing)

parete

passante

conduttore in

tensione isolamento esterno (molto spesso in aria)

isolamento interno


46

Passanti per media tensione in resina epossidica

Isolamento interno ed esterno in resina


47

isolamento esterno in porcellana

isolamento interno in SF6

conduttore

Isolatore passante per alta tensione in SF6


48

distanza di isolamento in aria (isolamento esterno)

d

Isolatori passanti per altissima tensione in olio


II.6 –Protezioni da sovracorrenti APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (1)

• Interruttore ideale (azionato in to )


49

to

manuale

automatico

to

Chiuso : bipolo cortocircuito idealeAperto : bipolo aperto ideale

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (2)Apertura di un circuito ohmico induttivo

• DISPOSITIVO REALE


50

to

+R

i

e

vR

vg

vLL

v*

N.B. L’intensità i(t) non ammette discontinuità perché funzione di stato.

- Ad interruttore chiuso (fino all’istante t0) la tensione v* è nulla.

- All’istante (t0-) l’intensità di corrente i può avere valore qualsiasi i(t0-)

…………………………………

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (3)

•


51

- All’istante t0 (istante di manovra) il tentativo di “aprire” meccanicamente [cioè avere i(t0+)=0] determinerebbe sull’induttore una tensione (vL=Ldi/dt) illimitata in quanto in un intervallo infinitesimo si avrebbe una variazione finita dell’intensità di corrente

- Dal bilancio LRg v*vvv ++= , per bilanciare la tensione illimitata sull’induttore

occorre una tensione illimitata sul tasto in apertura (essendo necessariamente limitata la tensione del generatore e quella sul resistore)

- Una tensione illimitata ai morsetti in apertura di un dispositivo reale è associata ad un campo elettrico illimitato che determina il collasso per ionizzazione e valanga elettronica (breakdown o scarica ) del mezzo circostante, normalmente l’aria, che diventa quindi conduttore gassoso (arco elettrico) ad alta temperatura (≅10.000 K), lasciando sostanzialmente “continua” l’intensità della corrente elettrica. Se l’arco persiste anche per pochi secondi, i contatti si possono danneggiare notevolmente.

N.B. Fenomeni irreversibili di collasso possono aversi anche nei dispositivi di interruzione a stato liquido o solido (olio, SCR,….)

N.B. Nell’aria in condizione ordinaria i valori di campo critico sono dell’ordine di 10-30 kV/cm

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (4)

• L’apertura di un circuito ohmico-induttivo è quindi possibile solo se l’intensità di corrente è nulla

(il dispositivo reale si indica come sezionatore)

• Manovra di apertura con sezionatore possibile quindi se:

- la rete è a riposo

- in regime sinusoidale o dinamico si sincronizza la manovra con il passaggio per lo zero dell’intensità di corrente [condizione molto ardua per una manovra meccanica anche se supportata da un controllo elettronico; buone probabilità di successo con dispositivi di apertura interamente elettronici (SCR) con supporto di controllo elettronico]

• Manovra impossibile in caso stazionario


52

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (5)Possibili soluzioni agli inconvenienti in apertura

• Impedire la formazione dell’arco

-far muovere i contatti in modo così veloce da non consentire la moltiplicazione a valanga degli elettroni su lunghe distanze

- utilizzare ambienti con campi critici più elevati (aria compressa, esafluoruro di zolfo, olio)

SI REALIZZANO PER QUESTO INTERRUTTORI

AD ARIA COMPRESSA, IN ESAFLUORURO DI ZOLFO , IN OLIO

• Spegnere l’arco

- L’arco può essere spento per raffreddamento pneumatico

- L’arco può essere spento allungandolo in particolari camere di interruzione con percorsi tortuosi obbligati

- L’arco si può spegnere da solo in relazione all’azione di deformazione verso l’esterno della “spira” per azione del campo magnetico proprio (ci deve essere spazio sufficiente, oppure pareti fredde) (soffio magnetico)

• Apertura progressiva su circuito resistivo


53

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (6) CLASSIFICAZIONE DEI DISPOSITIVI DI INTERRUZIONE

• Sezionatori (apertura possibile solo per intensità di corrente nulla; esempio: sezionamento per lavori)

• Sezionatori sotto carico ( apertura possibile solo per intensità di corrente non molto superiori al valore nominale; esempio, dispositivi a parete o di corredo di elettrodomestici)

• Fusibili (rapidi o ritardati): “aprono” per fusione di un opportuno materiale (es. piombo) ma non sempre sono in grado di evitare la formazione dell’arco

• Contattori: sezionatori sotto carico telecomandati (comando remoto) – Relè

• Interruttori : dispositivi in grado di aprire per i massimi valori dell’intensità di corrente (anche nei casi di guasto) in grado di evitare o contenere la formazione di archi – Si distingue la soglia di intervento lento o “termico” per correnti poco superiori al valore nominale (sovraccarichi) dall’intervento magnetico “veloce” in caso di guasto. Si definisce “potere di interruzione” il valore massimo dell’intensità di corrente che può essere azzerata. Il potere di interruzione degli interruttori automatici domestici è di 4-5kA, per gli interruttori per trasformatori si supera il valore di 50 kA

• Un sezionatore va sempre collocato a monte ed in serie ad un interruttore


54

APERTURA E CHIUSURA CIRCUITI (7)CHIUSURA DEI CIRCUITI

• La chiusura di circuiti induttivi a riposo non presenta particolari problemi, perché l’intensità di corrente varia con continuità dal valore nullo.

• Nel caso di circuiti resistivi, si potrebbero avere correnti molto intense a contatto avvenuto; tuttavia poiché il contatto è di fatto incerto ed “a rimbalzo” può determinare punti (“hot spot”) con densità di corrente molto elevata, con riscaldamenti localizzati e fusione o deterioramento dei contatti; si può avere un rapido invecchiamento con perlinature e possibilità di fusione dei contatti in diversi punti, che preclude pericolosamente una successiva apertura

• Chiusura veloce (10 ns) ed efficace con interruttori ad ago e pozzetto di mercurio (oggi limitati all’elettronica per motivi di sicurezza)


55

Caratteristica di intervento di un interruttore magnetotermico

56

[s]

Multiplo di In

Tempo di intervento [s]


57

Interruttori ibridiAria – SF6(145 kV –Australia)


58

Stazione blindata a 145 kV con isolamento in SF6


II.7 – Protezione da sovratensioni - Scaricatori

• Origini delle sovratensioni• Scaricatori in aria• Scaricatori solidi (varistori ad ossido di zinco)• Limitatori di tensione (diodi zener)


60

Sovratensioni - origini

Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosferica§ fulminazione diretta§ fulminazione indiretta (sovratensioni indotte in linea)

Sono caratterizzate da: § livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono.§ durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di µs.

Le sovratensioni che possono sollecitare una macchina od una apparecchiatura elettrica sono quasi sempre trasmesse dalla linea aerea cui la macchina è collegata. Esse possono essere suddivise in due categorie:q sovratensioni di origine esternaq sovratensioni di origine interna o di manovra


61

• sovratensioni di origine interna o di manovra(switching surges):

– messa in tensione di linee o trasformatori

– ferrorisonanza

– guasti a terra

– interruzione di carichi induttivi o capacitivi;

– variazioni di carico;

– interruttori non perfettamente messi a punto;

– funzionamento tipico o anomalo di alcuni componenti


62

scarica in aria

scarica lungo la catena di

sospensione

d

Esempi di scarica in aria


63

Isolamento in vetro temprato


64

SOVRATENSIONI STANDARD DI PROVA (APERIODICHE)

Vc

Vc / 2

tc t½t

V ( )tt eeVtv βα −− −= 0)(

Vc : valore di cresta

tc : tempo alla cresta

t½ : tempo di dimezzamento

La forma d’onda viene caratterizzata riportando il rapporto tc / t ½ e la polarità;ad esempio: onda 250/2500 [µs/ µs] , pol. pos., standard per switching surge (impulso lungo). Trattasi di sovratensioni legate a manovre sulle reti in condizioni ordinarie, anomali ed in occasione di guasti

Per sovratensioni legati ad eventi esterni, quali gli eventi atmosferici (lightning surge - impulso breve 1,2/50 [µs/ µs]), in genere caratterizzate da oscillazioni ad alta frequenza sia intorno all’origine che sulla cresta, le Norme stabiliscono un modo convenzionale per valutare il tempo alla cresta (di fronte).


65

Categoria I : sistemi in cui la tensione più elevata Vm per i componenti è compresa fra 1 kV e 245 kV

LIVELLO D’ISOLAMENTO Standard internazionali

360 – 395 – 460 850 – 950 – 1050 245275 – 325 650 – 750 170230 – 275 550 – 650 145230450 – 550 12314032572,5952505270145 – 170365095 – 125243875 – 9517,52860 – 75 – 95122040 – 60 7,21020 - 403,6

Tensione di tenuta a frequenza industriale (kV)

Tensione di tenuta a impulso breve (kV)Vm (kV)


Scaricatori in aria (spark gap - spinterometri)



68

CARBURO DI SILICIO ED OSSIDO DI ZINCO

Tali elementi costituiscono la base per la produzione dei resistori non lineari che formano l’elemento principale degli scaricatori usati negli impianti elettrici e dei varistori usati nei circuiti elettronici:

-Il Carburo di Silicio (SiC) viene prodotto fondendo sabbia e coke a circa 2.000 oC; si presenta come una polvere cristallina di colore bluastro; presenta una caratteristica tensione-corrente non lineare; può essere impiegato per produrre vernici semiconduttive (es. nel controllo di campo elettrico nelle barre dei generatori / motori).

- l’ Ossido di Zinco (ZnO) puro si usa per formare una ceramica con ottime qualità isolanti. L’aggiunta del 10% di ossido di bismuto, ossido di antimonio e tracce di altri ossidi metallici conferisce a questo materiale caratteristiche di conducibilità di tipo non lineare che lo rende particolarmente adatto per la costruzione di varistori e scaricatori.12/06/17


69

RESISTORE NON LINEARE IN CARBURO DI SILICIO

METALLIZZAZIONE

RIVESTIMENTOISOLANTE

2 R

H

S

R

SPINTEROMETRO

12/06/17


70

CARATTERISTICA CORRENTE- CAMPO ELETTRICO DI UN RESISTORE ZnO

10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 106

10

102

103 E [V/mm]

I [A]12/06/17


7112/06/17


72

Anno Accademico 2016/17– CdL in Ingegneria Meccanica - (M-Z)

II.8 FONDAMENTI DI ELETTRONICA DI POTENZA

Circuiti raddrizzatori ad una semionda .

( )R

tvteiiRtetv ACuAC

)()()( −=→−=

VAC

A anodo

catodo C

VAC

I

I diodo ideale

diodo reale ©

®

vu

i

+ e(t) Ru

vAC


73

( ) MM

Tt

tAC EEdttv

TV 318,011*

1

1

=≅= ∫+

π

Anche l’intensità di corrente presenterà quindi un valore medio non nullo. Nel caso (frequente) in cui la e(t) sia fornita attraverso un trasformatore su ferro (fig.IV.5.5), questa circostanza potrebbe comportare saturazione del ferro e conseguente cattivo funzionamento del trasformatore.

diodo reale ©

VA

C

I diodo ideale

®

( ) iRtetv uAC −= )(

t

e

v2


74

Circuiti raddrizzatori a doppia semionda

;

( ) MM

Tt

tAC EEdttv

TV 636,021*

1

1

=≅= ∫+

π

vAC

vu

i

Ru e=v2 +

v2*

D

D*

vu

i

Ru

vAC

e=v2

+

v2

vu

v*2

t


75

Ponte di Graetz

e=v2

+

vu

Ru


76

CIRCUITO TRIFASE AD UNA SEMIONDA

t

e1

vu

e2

e3

+ e1(t)

+ e2(t)

+ e3(t)

1

2

i2(t)

i1(t)

i3(t) 0

vu


78

TRIAC (triode for alternating current)

regolatore di corrente sinusoidale (alternata).

VAC

I TRIAC ideale

TRIAC reale ©

®

vAC

VGC

VAC

I

VGC

A

G

C


79

CONVERSIONE DC-DC

CHOPPER (Frazionatore)


80

CONVERSIONE DC AC

INVERTER (Invertitore)


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INVERTER PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI


82

INVERTER PER GRUPPI DI CONTINUITA‘


83

INVERTER PER TRAZIONE (FILOBUS – TRAM )


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INVERTER PER LOCOMOTORI


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ETR 500 AnsaldoBreda (FRECCIAROSSA)

Velocita’ max 300 Km/h

Accelerazione 0,47 M/s2

Tensione di linea 25 kV 50hz /3 kV cc

Potenza max 8800 kW

(Dati AnsaldoBreda)


88

V300 ZEFIRO - Giugno 2015 (1°in prova nel 2014: Frecciarossa 1000 “Pietro Mennea”)

Potenza max (motori distribuiti sull’intero treno) 9,8 MW- Sforzo trazione massimo 370 kN; Velocità massima omologata 400 km/h-

Velocità Commerciale autolimitata 360 km/h

Alimentazione 25 kV ~ 50 Hz; 15 kV ~ 16 2/3 Hz; 3 kV CC; 1,5 kV CC (Dati Ansaldo Breda, Bombardier)

II. 9 PROGRESSI E PROSPETTIVE

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1. Raddoppio delle sollecitazioni elettriche ammissibili nelle macchine rotanti negli ultimi 20 anni

2. Maggior utilizzo di GIS e GIL

3. Tecnologie alternative (Powerformer, Windformer, Dryformer)

4. Progressi nella tecnologia dei polimeri - Impiego dei nanodielettrici – Impiego dei nanotubi al carbonio


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Nanodielettrici

-Dielettrici solidi nanocaricati- nanofluidi

II.9 Progressi e Prospettive


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Filler nanocompositi

- Alumina Al2O3 (+EPDM) -Rutile TiO2 (+PE, +EPR)- silica SiO2 (+PE, +PI)

II.9 Progressi e Prospettive


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Nanostrutture in carbonio

• Fino al 1985 erano note solamente due forme di carbonio cristallino : quella tridimensionale del diamante e quella planare della grafite. Gli studi di Richard E. Smalley (premio Nobel) hanno portato alla scoperta di una terza forma: quella dei fullereni.

• I fullereni sono delle "gabbie" approssimativamente sferiche formate da un arrangiamento ordinato di strutture esagonali e pentagonali di atomi di carbonio. La quantità di poligoni presenti e la loro relativa proporzione determinano la forma e le dimensioni del fullerene. Il primo fullerene scoperto è il C60 , che ha la stessa forma di un pallone da calcio, ed è per questo conosciuto anche col nome di buckyball. I fullereni vengono prodotti artificialmente con un sistema di vaporizzazione del carbonio ad alta temperatura ma sono stati ritrovati in minime percentuali anche natura.


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Schema del “buckyball”


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• Le nanofibre, o nanofilamenti, sono strutture fibrose il cui diametro è compreso tra qualche decina e qualche centinaio di nanometri. Queste fibre possono avere strutture molto differenti, spaziando dai "graphite wiskers", costituiti da uno strato di grafite arrotolato più volte su se stesso, fino alle fibre "platelet", costituite da strati di grafite perpendicolari all'asse della fibra.

Nanostrutture in carbonio


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• In generale è possibile dividere i nanotubi al carbonio in due grandi famiglie : i nanotubi a parete singola (single-walled nanotubes, o SWNT) e i nanotubi a parete multipla (multi-walled nanotubes, o MWNT). I SWNT possono essere considerati, per conformazione e struttura, come degli appartenenti alla famiglia dei fullereni, mentre i MWNT sono più prossimi alla famiglia dei nanofilamenti, di cui rappresentano un caso particolare

Nanotubi in carbonio (CNT)


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Nanotubi a parete singola (SWNT)

• Un SWNT ideale può essere descritto come un tubo in carbonio formato da uno strato di grafite arrotolato su se stesso a formare un cilindro, chiuso alle due estremità da due calotte emisferiche. Il corpo del nanotubo e' formato da soli esagoni, mentre le strutture di chiusura (le due semisfere) sono formate da esagoni e pentagoni, come i normali fullereni. Per questa ragione i SWNT possono essere considerati come una sorta di "fullereni giganti", e sono per questo motivo chiamati anche "buckytubes".


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• L'elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro dei SWNT consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali, e conferisce a queste molecole delle proprietà peculiari,. Ogni SWNT è caratterizzato dal suo diametro e dal suo "vettore chirale" (n,n) o "elicità", cioè dalla direzione di arrotolamento della grafite in rapporto all'asse del tubo



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Nanotubo (10,10) "armchair"

Nanotubo (9,0) "zig-zag"


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• I nanotubi sono resistenti alla rottura per trazione, ma anche molto flessibili, e possono essere piegati ripetutamente fino a circa 90° senza rompersi o danneggiarsi.

• L'estrema resistenza dei nanotubi, unita alla loro flessibilità, li renderebbe ideali per l'uso come fibre di rinforzo nei materiali compositi ad alte prestazioni, in sostituzione delle normali fibre in carbonio, del kevlar o delle fibre di vetro.

PROPRIETA’ MECCANICHE DEI NANOTUBI

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• La struttura elettronica dei nanotubi è molto simile a quella della grafite, dotata di buone capacità di conduzione in direzione planare, e sarebbe quindi lecito aspettarsi un comportamento simile da parte dei nanotubi. I nanotubi hanno invece mostrato delle sorprendenti proprietà di conduttività che cambiano secondo la loro geometria: i SWNT "armchair" mostrano un comportamento metallico, gli altri un comportamento da metallo o da semiconduttore a seconda dei casi. E' stato anche notato che, in determinate condizioni, gli elettroni possono passare all'interno di un nanotubo senza scaldarlo (fenomeno chiamato "conduzione balistica"). Queste proprietà rendono i nanotubi molto interessanti per lo sviluppo di "nanocavi" o "cavi quantici", che potrebbero sostituire il silicio nel campo dei materiali per l'elettronica, e consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica.

CONDUZIONE ELETTRICA NEI NANOTUBI

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