Insegnamento: Elettrotecnica (Allievi Ingegneri Ambiente e Territorio) Per l’AA 2002/2003, da impartire nel Secondo semestre del II anno. Docente: Antonino SERRI Durata: 10 settimane; 5 ore a settimana; totale 50 ore. Obiettivi e contenuto schematico del corso Il corso ha l’obiettivo di fornire i concetti basilari delle applicazioni industriali dell’energia elettrica. I contenuti riprendono la fenomenologia elettromagnetica e, attraverso la teoria dei circuiti, si arriva alla modellistica e alle modalità di calcolo per i sistemi elettrici: macchine e impianti per la produzione, trasmissione e utilizzazione dell’energia elettrica. In parallelo alle nozioni teoriche presentati alcuni concetti elementari riguardanti la costruzione degli impianti e dei componenti elettrici, l’inserzione degli strumenti di misura e la sicurezza degli utilizzatori. Pre-requisiti: per seguire con profitto questo insegnamento è importante la conoscenza delle nozioni fondamentali di matematica (trigonometria, numeri complessi ed equazioni differenziali), è inoltre utile una conoscenza preliminare della fisica dell’elettromagnetismo. Nozioni verificabili che si dovrebbero possedere dopo aver superato l’esame: Grandezze fisiche dei fenomeni elettromagnetici e loro misura. Rappresentazione circuitale dei fenomeni elettromagnetici. Risoluzione di circuiti elettrici in regime stazionario e regime sinusoidale permanente. Rappresentazione circuitale di generatori, trasformatori, linee, motori e utilizzatori trifase a partire dai dati di targa. Calcolo di verifica di un impianto elettrico trifase. PROGRAMMA DEL CORSO Corrente elettrica, campo elettrico, tensione elettrica: Definizione di carica elettrica e di intensità di corrente; Definizione di campo elettrico, tensione e potenziale; Corrente elettrica nei materiali. Generalità su equazioni di Maxwell e teoria dei circuiti. Reti elettriche lineari in regime stazionario: Reti elettriche lineari in regime stazionario. Elementi e componenti a parametri distribuiti e concentrati. Analogie con i sistemi di natura diversa. N-poli elettrici. Bipoli elettrici e caratteristiche. Bipolo inerte, bipolo passivo, bipolo attivo, bipolo lineare e non lineare. Bipolo resistivo: resistenza elettrica e coefficienti di temperatura. Legge di Ohm generalizzata. Generatori ideali e reali di tensione e di corrente. Corto circuito ideale e circuito aperto. Dualità. Assurdi fisici: bipolo su base corrente e bipolo su base tensione. Convenzione di segno degli utilizzatori e dei generatori. Grafo orientato e relazioni costitutive delle connessioni. Metodi di studio delle reti elettriche: albero, coalbero , maglia e taglio. Principi di Kirchhoff. Resistenza equivalente serie e parallelo. Trasformazione stella-triangolo. Generatori collegati in serie e parallelo. Proprietà dei componenti elettrici: invarianza nel tempo, linearità, causalità. Principio di conservazione delle potenze. Principio di sovrapposizione degli effetti, Principio del generatore equivalente di tensione: Teorema di Thévenin. Principio del generatore equivalente di corrente: Teorema di Norton. Metodo dei potenziali ai nodi e delle correnti di maglia. Campo di corrente: Densità di corrente in un mezzo conduttore e relazione con il campo elettrico. Potenza dissipata in un mezzo conduttore. Modello di Drude-Lorenz e interpretazione della legge di Joule per la dipendenza resistenza-temperatura. Esempi di resistori con geometria particolare. Resistore a filo. Resistore sferico. Elettrostatica: Bipolo condensatore; Vettore spostamento elettrico nel vuoto e densità di carica superficiale; Polarizzazione e rigidità dielettrica nei mezzi isolanti; Corrente di spostamento e corrente totale; Rifrazione; Calcolo della capacità di condensatori: Condensatore piano, Condensatore piano a due dielettrici, Condensatore sferico; Processi energetici: Energia immagazzinata in un condensatore, Energia associata al campo elettrico; I condensatori nelle reti elettriche: Condensatori in serie, Condensatori in parallelo; Transitori di carica e scarica di condensatori: Carica di un condensatore, Bilancio energetico durante la carica, Scarica di un condensatore, Bilancio energetico durante la scarica. Elettromagnetismo: Fenomeno dell'induzione elettromagnetica; Campo di induzione; Campo magnetico; Teorema della circuitazione; Unità di misura; Legge di Faraday-Neumann; Coefficiente di autoinduzione: Solenoide rettilineo; Bipolo induttore; Coefficiente di mutua induzione e coefficiente di accoppiamento; Doppio bipolo mutuo induttore; Energia immagazzinata in un induttore: Densità di energia magnetica in mezzi qualunque, Energia nei circuiti mutuamente accoppiati; Transitori di carica e scarica di induttori: Carica di un induttore, Carica di un induttore con un generatore di corrente, Bilancio energetico durante la carica, Scarica di un induttore, Bilancio energetico durante la scarica; Proprietà magnetiche della materia: Diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo, Energia di magnetizzazione e ciclo di isteresi; Circuiti magnetici: Principi di Kirchhoff per i circuiti magnetici, Elettromagneti; Cenni alle forze di origine elettrodinamica: Conduttori rettilinei indefiniti (linea bifilare); Principio di funzionamento delle macchine elettriche. Reti elettriche in regime sinusoidale: Introduzione al regime sinusoidale; Regime quasi stazionario: Regime periodico, Regime alternato, Regime sinusoidale; Rappresentazioni delle grandezze sinusoidali: Rappresentazione in funzione del tempo, Rappresentazione fasoriale, Rappresentazione (o notazione) simbolica, Rappresentazione usuale delle grandezze sinusoidali; Componenti di rete in regime sinusoidale: Generatore di tensione sinusoidale, Generatore di corrente sinusoidale, Impedenza e ammettenza, Resistore, Condensatore Induttore, Impedenza e ammettenza equivalenti; Potenza in regime sinusoidale; Metodi per lo studio delle reti elettriche in regime sinusoidale: Principi di Kirchhoff, Principio di sovrapposizione degli effetti, Principio del generatore equivalente, Principio di conservazione della potenza attiva e reattiva, metodo dei potenziali ai nodi e delle correnti di maglia. Cenni all'effetto pelle. Sistemi trifase: Struttura dei sistemi trifase; Definizioni: Collegamento a stella dei generatori, Collegamento a stella degli utilizzatori, Collegamento a triangolo degli utilizzatori, Collegamento a triangolo dei generatori. Trasformazioni stella/triangolo. Rete monofase equivalente; Potenza nei sistemi trifase simmetrici ed equilibrati. Sistemi simmetrici squilibrati. Inserzione degli strumenti per le misure trifasi. Rifasamento dei carichi trifasi. Trasformatori: Modalità costruttive del trasformatore monofase; Modelli circuitali per il trasformatore monofase in regime sinusoidale; Trasformatore ideale; Trasformatore reale: Reti equivalenti semplificate del trasformatore reale; Specificazione di un trasformatore monofase; Trasformatori trifase; Funzionamento e specificazione di un trasformatore trifase. Introduzione allo studio delle macchine elettriche rotanti: Campo magnetico rotante. Generalità sulle macchine elettriche. Aspetti costruttivi: statore, rotore, ventilazione; Aspetti elettromagnetici: Induttore e indotto, Induttore con magneti permanenti. Cenni sulle macchine in corrente continua e sulle macchine sincrone. Principio di funzionamento, bilancio energetico e coppia del motore asincrono. Caratteristica meccanica e cenni all’avviamento del motore asincrono. Motore asincrono monofase. Dati di targa di una macchina asincrona. Impianti elettrici: Struttura delle reti elettriche: Generazione, Trasmissione, Utilizzazione. Tipi di trasmissione e scelta del livello di tensione. Dimensionamento delle linee elettriche: Dimensionamento termico, Dimensionamento in relazione alla caduta di tensione. Linea a sbalzo in corrente continua, Linea alimentata ad entrambe le estremità in corrente continua, Parametri delle linee elettriche in corrente alternata monofase a frequenza industriale, Calcolo delle cadute di tensione lungo una linea in corrente alternata, Dimensionamento di una linea a sbalzo in corrente alternata in bassa tensione; Apparecchiature di protezione e manovra: Definizioni, Valori caratteristici e principali tipologie costruttive delle protezioni, Funzionalità e principi costruttivi degli interruttori, Interruttori automatici in bassa tensione, Sezionatori, Fusibili, Contattori, Coordinamenti tra protezioni di massima corrente in bassa tensione, Protezioni per una cabina di trasformazione MT/BT; I pericoli derivanti dall'energia elettrica: Effetti della corrente elettrica sul corpo umano; Impianti di messa a terra: Generalità, Costituzione di un impianto di terra, Grandezze caratteristiche, Calcolo della resistenza di terra di un dispersore; Sistemi di distribuzione in BT: Sistema TT, TN, IT. Cenni sugli impianti elettrici speciali: ospedali e cantieri. Materiale didattico: Fauri, Gnesotto, Marchesi, Maschio, “lezioni di elettrotecnica” (I, II e III vol.) Modalità di esame: l’esame consiste in una prova scritta ed in un colloquio orale. Sono previsti dei pre-esami svolti durante l’anno per esonerare parte della prova scritta.