LEZIONE DI ELETTRONICA
per la classe 5° TIM e TSE
2° MODULO : Analisi dei circuiti lineari in regime sinusoidale
PREMESSA
L’analisi dei sistemi elettrici lineari, in regime sinusoidale, consente di determinare il
funzionamento di tali sistemi qualunque siano le caratteristiche del segnale applicato.
Motivazione :
un qualunque segnale può essere espresso come somma di infinite sinusoidi con particolari
caratteristiche;
in base al principio di sovrapposizione degli effetti, l’effetto prodotto su un sistema lineare da
un segnale di ingresso di qualsiasi forma è uguale alla somma degli effetti prodotti dalle
armoniche che compongono il segnale.
Lo studio dei circuiti elettrici in regime sinusoidale è perciò utile per poter svolgere
successivamente l’analisi in frequenza dei quadripoli, argomento essenziale per affrontare le
tematiche relative alle telecomunicazioni.
È necessario comprendere bene i concetti introdotti in questa U.D. e il relativo simbolismo di
rappresentazione.
Prerequisiti
il calcolo con i numeri complessi;
le leggi e i principi fondamentali dell’elettrotecnica.
Obiettivi
Alla fine di questa Unità Didattica occorre:
conoscere come si rappresentano le tensioni e le correnti sinusoidali mediante FASORI;
sapere quali sono e come si determinano le relazioni vettoriali tensione-corrente nei circuiti
resistivi, induttivi, capacitivi;
saper analizzare in regime sinusoidale reti elettriche costituite da alcuni elementi circuitali in
serie e parallelo ed in particolare quelle necessarie per comprendere successivamente il
funzionamento dei filtri del primo ordine a vuoto e a carico;
saper tracciare e analizzare i diagrammi vettoriali che consentono di visualizzare graficamente
le relazioni tra le varie tensioni e correnti di un circuito elettrico;
saper determinare la potenza assorbita da un circuito e quella dissipata dai suoi componenti.
1. RELAZIONI TENSIONE-CORRENTE NEL DOMINIO DEL TEMPO
i(t)
Tensione applicata :
v(t)
v(t) = VM sen t
V(t) = VM ejt : vettore ruotante che genera la sinusoide
1
In tutti i casi la corrente ha la stessa pulsazione (e quindi la stessa frequenza) della tensione.
Di conseguenza :
In regime sinusoidale, in una qualsiasi rete elettrica di tipi R-C-L, tutte le correnti e le tensioni
presenti nel sistema sono sinusoidali e hanno la stessa pulsazione.
Tutti i vettori ruotanti associati alle grandezze sinusoidali presenti nel circuito hanno la stessa
velocità angolare e perciò mantengono tra loro la stessa distanza angolare presente nell’istante
iniziale (t = 0).
Per questi motivi l’analisi dei circuiti in regime sinusoidale si può effettuare col metodo
vettoriale, considerando vettori fissi, anziché vettori ruotanti.
2. RELAZIONI VETTORIALI TENSIONE-CORRENTE
Resistore
I =V/R
Condensatore
I = j CV
V = I / j C = - j 1/C I
V = - j XC I
Induttore
I = V / j L
V = j L I
V = j XL I
V=RI
Come si può notare le tre relazioni sono analoghe e sono riconducibili all’espressione
dove Z è un numero complesso che nel primo caso ha solo la parte reale,
mentre negli altri due casi ha solo la parte immaginaria.
R
resistenza
XC = 1/C reattanza capacitiva
XL = L
reattanza induttiva
Z
V = ZI
L’effetto prodotto da una reattanza capacitiva
è opposto a quello prodotto da una reattanza induttiva
impedenza
L’impedenza di un bipolo passivo è il rapporto vettoriale tra la tensione applicata e la
corrente assorbita dal bipolo ed è espressa da un numero complesso, in cui la parte reale
rappresenta la componente resistiva, mentre la parte immaginaria rappresenta la componente reattiva.
L’impedenza di un bipolo passivo si calcola applicando le stesse regole viste in continua :
impedenze in serie :
Zs = Z1 + Z2
impedenze in parallelo :
1/ Zp = 1/Z1 + 1/Z2
Alcuni esempi :
resistore in serie con un condensatore
resistore in serie con un induttore
condensatore in serie con un induttore
resistore in parallelo con un condensatore
condensatore in parallelo con un induttore
2
Z = R - jXC
Z = R + jXL
Z = j (XL - XC )
Z = R . jXC / (R - jXC )
Z = XL XC / j(XL - XC )
3. METODO per svolgere l’analisi vettoriale dei circuiti R, C, L in regime sinusoidale
Si calcolano le reattanze presenti nel circuito
tenendo conto della frequenza del segnale applicato
Si sostituiscono i condensatori e le induttanze
con le rispettive reattanze
C
-j / C
L
jL
Si esprime la tensione sinusoidale applicata in forma vettoriale
vi(t)
Vi = Vi
i
Applicando i principi dell’elettrotecnica
e usando il calcolo vettoriale
si determinano le altre correnti e tensioni dei sistema
in forma vettoriale
Se necessario si tracciano
i diagrammi vettoriali
per visualizzare in forma grafica le relazioni tra le varie grandezze
Si esprimono nel dominio del tempo
le tensioni e le correnti che si ritiene utile avere in questa forma.
Vo = Vo
Io = Io
o
vo(t)
o
io(t)
3
Esempio
A
vi = VM sen t
L
VL
XL = L
jXL
B
Vi
C
-jXc
XC = 1/C
ZT = R + jXL – jXC = R + j (L – 1/C )
VC
I = Vi / ZT
C
R
Vi = VM 0°
VR = R I
VR
VL = jXL I
VC = -jXC I
Vi = VR + VL + VC
D
Diagramma vettoriale
nel caso in cui XL < XC
VR
VL
I
Vi
VC+VL
VC
ESERCIZI
Con vi = 5 sen 103 t determinare tutte le correnti e le tensioni dei seguenti circuiti e tracciare i
rispettivi diagrammi vettoriali.
Resistore di 1 K in serie con condensatore di 1 MF
Condensatore di 1 MF in parallelo con induttore di 2 Henry
Resistenza di 2 K in serie col parallelo precedente
Resistenza di 10 K in parallelo con condensatore di 100 nF
Resistenza di 5 K in serie col parallelo precedente.
Resistenza di 5 K in serie con condensatore di 100 nF in serie con induttore di 10 Henry.
4
4. POTENZA ELETTRICA IN REGIME SINUSOIDALE
In regime sinusoidale solo le resistenze dissipano potenza sotto forma di calore, mentre le capacità
e le induttanze scambiano potenza, ma non la dissipano.
La potenza dissipata dai componenti resistivi di un circuito prende il nome di potenza attiva e si
indica con P.
La potenza media scambiata dai condensatori e dagli induttori prende il nome di potenza reattiva
e si indica con Q.
La potenza scambiata da condensatori e induttori sono di segno opposto : si considera positiva
quella dell’induttore e negativa l’altra.
Il valore efficace di una tensione v(t) o di una corrente i(t) è il valore della corrispondente grandezza
continua che, applicata allo stesso circuito, determina una potenza attiva pari a quella prodotta dalla
grandezza variabile.
Si può dimostrare che, in regime sinusoidale, il valore efficace di una grandezza elettrica è pari al valore
massimo fratto radice di due.
__
__
Veff = VM / 2
Ieff = IM / 2
Potenza attiva in regime sinusoidale
dissipata da una resistenza
PR = Veff Ieff = VM / 2 IM / 2 = VM IM /2
PR = R Ieff Ieff = R Ieff 2 = R IM2 / 2
Potenza reattiva
scambiata da un condensatore
QC = Veff Ieff = - XC Ieff Ieff = - XC Ieff 2 = - XC IM2 / 2
Potenza reattiva
scambiata da un induttore
QL = Veff Ieff = XL Ieff Ieff = XL Ieff 2 = XL IM2 / 2
dove Ieff è il valore efficace della corrente che attraversa rispettivamente il resistore, il condensatore, l’induttore.
Per un bipolo ohmico-reattivo si può dimostrare che :
P = Veff Ieff cos
Veff
Ieff
cos
Q = Veff Ieff sen
dove
è il valore efficace della tensione applicata al bipolo
è il valore efficace della corrente che attraversa il bipolo
è l’argomento dell’impedenza del bipolo e dunque lo sfasamento della V rispetto alla I
prende il nome di fattore di potenza
Si ha il massimo fattore di potenza, pari a 1, quando tensione e corrente
sono in fase (Ø=0).
5
A = Veff Ieff
prende il nome di potenza apparente
triangolo delle potenze
A
Q
P
Si definisce potenza
complessa il prodotto:
S = V·I*
dove:
I* = Icos(β) - jIsen(β)
è il complesso coniugato di I (differisce da I per il segno della parte immaginaria).
Si dimostra che
S = V·I* = P + jQ
Il modulo della potenza complessa:
S = |S| = (P2 + Q2)½
è la potenza apparente.
GRANDEZZA
potenza
attiva
potenza
reattiva
potenza
apparente
UNITA' DI MISURA
P
watt
W
Q
voltampere
reattivi
var
A
voltampere
VA
RIEPILOGANDO ……
POTENZA IN TENSIONE ALTERNATA
6
La potenza in corrente alternata si esprime in tre modi diversi, ognuno con un
suo significato particolare.
1) POTENZA ATTIVA
La potenza attiva P è quella effettivamente assorbita e che viene trasformata
in calore per effetto Joule o in lavoro utile nelle macchine elettriche. Si misura
in watt e viene calcolata con la formula:
P = Veff x Ieff x cosØ
dove Ø è lo sfasamento tra tensione e corrente.
In un circuito costituito da sole resistenze (circuito puramente ohmico),
tensione e corrente non risultano sfasate (Ø=0 e cosØ=1): P=VeffxIeff
In un circuito con il massimo sfasamento possibile (circuito puramente
induttivo o circuito puramente capacitivo), non si ha potenza attiva
(Ø=90° e cosØ=0): P=0
2) POTENZA REATTIVA
La potenza reattiva Q riguarda l'energia che viene alternativamente assorbita e
restituita dal campo magnetico (circuiti induttivi) o dal campo elettrico (circuiti
capacitivi). Si misura in var (voltampere reattivi) e viene calcolata con la
formula:
Q = Veff x Ieff x senØ
dove Ø è lo sfasamento tra tensione e corrente.
In un circuito puramente ohmico (Ø=0; senØ=0): Q=0
In un circuito con sfasamento (Ø=90° senØ=1): Q=VeffxIeff
3) POTENZA APPARENTE
La potenza apparente non ha un significato particolare, ma è utile poichè è
legata al valore della corrente I effettivamente in gioco nel circuito in esame.
Non viene influenzata dall'angolo di sfasamento tra tensione e corrente. Può
essere considerata come il valore massimo di potenza attiva che otterremmo
annullando lo sfasamento tra tensione e corrente. Si misura in voltampere
(VA) e viene calcolata con la semplice formula: A = Veff Ieff
ESERCIZI
Nei bipoli indicati negli esercizi di pag. 5 determinare : la potenza assorbita dai bipoli, quella dissipata dalle
singole resistenze e il cos .
Il Prezzo della Reattiva
7
La potenza attiva compie un lavoro trasformandosi in altre forme di energia, come calore,
illuminazione, movimento, mentre la potenza reattiva (induttiva) non si trasforma, ma è necessaria
per l’eccitazione dei circuiti elettromagnetici di trasformatori, motori, reattori.
L’energia reattiva non trasformandosi in altre energie compie uno spostamento ciclico a frequenza
di rete, tra la centrale di produzione di energia (fornitore) e gli utilizzatori (utente).
Ciò comporta un trasporto ozioso di corrente reattiva lungo le linee, introducendo maggiori perdite
elettriche e limitando la trasmissione di una maggiore potenza attiva.
Il cosfi (Ø ) minimo, per non dover pagare penali, deve essere di 0,9 (φ < 25°). Questo numero
corrisponde ad avere un consumo di energia reattiva inferiore al 50% del corrispondente valore di
energia attiva.
Reattiva... Ma quanto ci costi?
Per quantificare i costi aggiuntivi dei corrispettivi dovuti per l'energia reattiva si valuta il
"rapporto" tra il totale dell'energia attiva e l'energia reattiva assorbite in ciascuna fascia.
Il 50% del prelievo totale per fascia di energia attiva determinerà la "franchigia" entro la quale
nessuna penale è dovuta.
Le eccedenze di energia reattiva tra 50% ed il 75% dei valori di energia attiva, registrati nella fascia
considerata, sono soggetti al pagamento di un corrispettivo fissato.
Le eccedenze di energia reattiva che invece superano il 75% dei valori di energia attiva registrati
nella fascia, sono soggetti al pagamento di un corrispettivo fissato più alto.
Reagire alla reattiva: conviene un impianto di rifasamento?
Il "fattore di potenza" è un indicatore importante non solo per tenere sotto controllo la fornitura
energetica, ma anche per valutare l'andamento e l'efficienza di alcuni aspetti importanti della
produzione. Un elevato assorbimento di energia reattiva, infatti, comporta diversi svantaggi tecnici,
come l'aumento delle cadute di tensione e le perdite di energia nei conduttori.
Quindi, migliorare questo indicatore significa non solo ridurre i costi ma anche migliorare
l'efficienza degli impianti, evitando danni e inconvenienti. Come fare?
Si può ricorrere ad accorgimenti tecnici che possono essere effettuati direttamente sugli impianti,
oppure è possibile valutare l'introduzione di un impianto di rifasamento.
Nel primo caso (intervento sull'impianto - sistema diretto) è necessario intervenire direttamente
sugli impianti dell'azienda, seguendo alcune importanti linee guida:
utilizzare motori e trasformatori correttamente dimensionati, in modo che non debbano funzionare a carico
ridotto;
non lasciare in funzione impianti senza carico o a tensioni superiori a quelle nominali, perché tale condizione
comporta un maggior assorbimento di potenza reattiva;
non mantenere in esercizio motori difettosi
Se tutto ciò non fosse sufficiente occorre allora "rifasare", ovvero inserire nel ciclo produttivo uno
o più "elementi capacitivi" (detti "rifasatori"- il sistema "indiretto"), che consente di compensare
l'eccessiva energia reattiva richiesta dal carico impedendo che essa venga prelevata dalla rete del
Distributore Locale.
Questa opzione non esclude il sistema diretto, ma piuttosto lo integra.
Per affrontare la scelta sulle modalità e sugli strumenti per rifasare, è necessario effettuare
valutazioni molto attente e specifiche. Il posizionamento e il dimensionamento dei condensatori
deve essere valutato in funzione della natura e dell'andamento giornaliero dei carichi seguendo
metodologie di rifasamento centralizzato, distribuito, "per gruppi" o misto.
8
9
