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INDICE Prefazione Autori Ringraziamenti dell’Editore Capitolo 1 Introduzione all’ingegneria elettrica 1.1 L’ingegneria elettrica 1.2 Unità di misura 1.3 Ausili didattici del testo XII XVII XVIII Capitolo 3 Analisi delle reti resistive 1 1 3 3 PARTE I CIRCUITI ELETTRICI Capitolo 2 Fondamenti di circuiti elettrici 2.1 Definizioni 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.1.1 Bipolo elettrico 2.1.2 Le variabili elettriche di un bipolo e le convenzioni associate 2.1.3 Tipi di bipolo 2.1.4 Sorgente ideale di tensione 2.1.5 Sorgente ideale di corrente 2.1.6 Sorgenti dipendenti (o controllate) Carica, corrente e la legge di Kirchhoff delle correnti La tensione e la legge di Kirchhoff per le tensioni 2.3.1 Terra La relazione di porta e la potenza elettrica scambiata da un bipolo Elementi circuitali e loro caratteristiche i-v La resistenza e la legge di Ohm 2.6.1 Circuiti aperti e corto-circuiti 2.6.2 Resistori in serie e regola di partizione della tensione 2.6.3 Resistori in parallelo e regola di partizione delle correnti Sorgenti reali di tensione e di corrente Dispositivi di misura 2.8.1 L’ohmmetro 2.8.2 L’amperometro 2.8.3 Il voltmetro 5 5 5 7 7 8 9 9 11 16 17 20 22 23 26 27 29 37 38 3.1 L’analisi delle reti 3.2 Elementi di topologia di una rete elettrica 3.2.1 La scrittura delle relazioni topologiche indipendenti 3.2.2 Il teorema di Tellegen 3.3 Il metodo dei potenziali ai nodi 3.3.1 Analisi nodale in presenza di sorgenti di tensione 3.4 Il metodo delle correnti alle maglie 3.4.1 Analisi alle maglie in presenza di sorgenti di corrente 3.5 Analisi ai nodi e alle maglie con sorgenti controllate 3.5.1 Osservazioni sui metodi dei potenziali ai nodi e delle correnti alle maglie 3.6 Il principio di sovrapposizione 3.7 Reti a singola porta e circuiti equivalenti 3.7.1 Principio di sostituzione 3.7.2 Circuiti equivalenti di Thévenin e di Norton 3.7.3 Determinazione della resistenza equivalente di Thévenin o di Norton 3.7.4 Il calcolo della tensione di Thévenin 3.7.5 Il calcolo della corrente di Norton 3.7.6 Trasformazioni delle sorgenti 3.7.7 Determinazione sperimentale degli equivalenti di Thévenin e di Norton 3.8 Trasformazione triangolo-stella e stella-triangolo 3.9 Reti di resistenze a due porte 3.10 Il massimo trasferimento di potenza 3.11 Teorema di Millman 38 38 39 41 41 42 44 45 46 51 53 57 59 63 63 65 66 67 67 70 73 75 77 79 80 86 89 Indice 3.12 Elementi circuitali non lineari 3.12.1 Descrizione degli elementi non lineari 3.12.2 Analisi grafica (linea di carico) dei circuiti non lineari Capitolo 4 Analisi delle reti in corrente alternata (AC) 90 Capitolo 5 Analisi dei transitori 90 5.1 Analisi dei transitori nel dominio 91 5.2 Scrittura delle equazioni differenziali del tempo 5.3 97 4.1 Elementi circuitali per l’accumulo 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 dell’energia (o dinamici) 4.1.1 Il condensatore ideale 4.1.2 L’accumulo di energia nei condensatori 4.1.3 L’induttore ideale 4.1.4 Gli induttori ideali accoppiati 4.1.5 L’accumulo di energia negli induttori Le Sorgenti di segnale dipendenti dal tempo 4.2.1 Perché le sinusoidi? 4.2.2 Il valore medio e il valore efficace (rms) La Soluzione di circuiti contenenti elementi per l’accumulo di energia (circuiti dinamici) 4.3.1 La risposta forzata di circuiti eccitati da sorgenti sinusoidali La Soluzione fasoriale di circuiti con eccitazione sinusoidale 4.4.1 L’identità di Eulero 4.4.2 I fasori 4.4.3 La sovrapposizione di segnali AC 4.4.4 L’operatore impedenza 4.4.5 L’impedenza di un resistore 4.4.6 L’impedenza di un induttore 4.4.7 I parametri impedenza degli induttori accoppiati 4.4.8 L’impedenza di un condensatore 4.4.9 L’impedenza equivalente di un bipolo 4.4.10 L’ammettenza equivalente di un bipolo I Metodi di analisi dei circuiti AC 4.5.1 I circuiti equivalenti AC Il Teorema di Millmann in AC La potenza in corrente alternata 4.7.1 La potenza istantanea e la potenza media 4.7.2 Il fattore di potenza 4.7.3 La potenza complessa, la potenza attiva e la potenza reattiva Il Teorema di Boucherot Il rifasamento Il massimo trasferimento di potenza Risonanza Reti di impedenze a due porte Trasformatori 4.13.1 Il trasformatore ideale 4.13.2 Il riporto dell’impedenza e il trasferimento di potenza 97 98 104 106 110 112 113 115 5.4 115 118 5.5 119 120 120 121 122 124 124 125 5.6 126 126 127 131 133 135 141 141 142 146 146 151 152 160 161 164 166 166 168 per circuiti contenenti induttori e condensatori Valore iniziale, condizione iniziale e condizione finale dei circuiti dinamici 5.3.1 Valore iniziale e condizione iniziale - Continuità della corrente negli induttori e della tensione sui condensatori 5.3.2 Circuiti degeneri e discontinuità della corrente negli induttori e della tensione sui condensatori 5.3.3 Condizione finale dei circuiti dinamici Transitorio nei circuiti del primo ordine 5.4.1 Elementi del transitorio 5.4.2 Soluzione generale dei circuiti del primo ordine 5.4.3 Accumulo di energia nei condensatori e negli induttori Transitorio nei circuiti del secondo ordine 5.5.1 Elementi del transitorio 5.5.2 Scrittura delle equazioni differenziali per i circuiti del secondo ordine 5.5.3 Soluzione dei circuiti del secondo ordine La soluzione dei circuiti del primo e del secondo ordine nel dominio della frequenza complessa mediante la Trasformata di Laplace 5.6.1 Le relazioni degli elementi circuitali e le relazioni topologiche nel dominio della variabile complessa 5.6.2 La soluzione del circuito del primo ordine 5.6.3 La soluzione del circuito del secondo ordine Capitolo 6 Risposta in frequenza e filtri elementari 6.1 Risposta in frequenza sinusoidale 6.2 Analisi di Fourier 6.3 6.2.1 Calcolo dei coefficienti della serie di Fourier 6.2.2 Risposta di un sistema lineare a un ingresso periodico Filtri 6.3.1 Filtri passa-basso 6.3.2 Filtri passa-alto 6.3.3 Filtri passa-banda 6.3.4 Risonanza, ampiezza di banda e fattore di qualità IX 175 175 176 180 181 182 184 189 189 190 195 207 207 207 209 230 231 232 233 237 237 241 242 247 249 249 255 257 258 X Indice Capitolo 7 Circuiti trifase 7.1 La costituzione di un circuito trifase 7.1.1 I circuiti trifase simmetrici ed equilibrati 7.1.2 La misura della potenza attiva e reattiva nei sistemi equilibrati 7.1.3 Il rifasamento di un carico trifase equilibrato 7.1.4 I circuiti trifase simmetrici e squilibrati 7.1.5 I circuiti squilibrati a tre fili 7.1.6 La misura della potenza attiva e reattiva nei sistemi squilibrati 7.1.7 Il rifasamento di un carico trifase squilibrato 269 269 273 282 287 288 291 298 302 PARTE II ELETTROMECCANICA Capitolo 8 Principi di elettromeccanica 8.1 Elettricità e magnetismo 8.2 8.3 8.4 8.5 8.1.1 Il campo magnetico e la legge di Faraday 8.1.2 Autoinduttanza e mutua induttanza 8.1.3 La legge di Ampère Circuiti magnetici Materiali magnetici e curve B-H Trasformatori Conversione dell’energia elettromeccanica 8.5.1 Forze nelle strutture magnetiche 8.5.2 Trasduttori a ferro mobile 8.5.3 Nozioni pratiche sui solenoidi 8.5.4 Trasduttori ideali a bobina mobile 8.5.5 Trasduttori reali a bobina mobile Capitolo 9 Introduzione alle macchine elettriche 9.1 Macchine elettriche rotanti 9.2 9.3 9.4 9.1.1 Classificazione di base delle macchine elettriche 9.1.2 Prestazioni delle macchine elettriche 9.1.3 Funzionamento di base di tutte le macchine rotanti 9.1.4 I poli magnetici nelle macchine elettriche Macchine a corrente continua (DC) 9.2.1 Struttura fisica delle macchine DC 9.2.2 Configurazione delle macchine DC 9.2.3 Modelli di macchine DC Generatori di corrente continua Motori a corrente continua 9.4.1 Caratteristica velocità-coppia e caratteristica dinamica dei motori DC 305 305 305 308 311 314 324 326 329 330 330 335 338 340 9.5 9.6 9.7 9.8 9.4.2 Controllori DC e controllo della velocità nei motori DC Macchine AC 9.5.1 Campi magnetici rotanti L’alternatore (generatore sincrono) Il motore sincrono Il motore a induzione 9.8.1 Prestazioni dei motori a induzione 9.8.2 Velocità del motore AC e controllo della coppia 9.8.3 Controllo del numero di poli Capitolo 10 Macchine elettriche speciali 10.1 Motori DC senza spazzole 10.2 Motori passo-passo 10.3 Motori a commutazione di riluttanza 10.3.1 Principi di funzionamento della macchina SR 10.4 Motori AC monofase 10.4.1 Motori a potenza frazionale 10.4.2 Il motore universale 10.4.3 Motori a induzione monofase 10.4.4 Classificazione dei motori a induzione monofase 10.5 Selezione e uso di un motore 10.5.1 Calcolo delle prestazioni di un motore 10.5.2 Selezione del motore 10.5.3 Definizione delle esigenze di potenza 10.5.4 Scelta della trasmissione 376 377 377 379 381 384 389 391 391 395 395 401 407 408 410 410 411 413 417 422 422 425 426 426 PARTE III SICUREZZA ELETTRICA Capitolo 11 Sicurezza elettrica 429 11.1 Classificazione dei sistemi elettrici in base alla tensione di esercizio 349 349 349 351 357 357 359 359 361 361 364 367 368 430 11.2 Classificazione delle reti di distribuzione in BT: TT, TN, IT 11.2.1 Sistema TT 11.2.2 Sistema TN 11.2.3 Sistema IT 11.3 Origine di sovratensioni e criteri di protezione 11.4 Origine di sovracorrenti e criteri di protezione 11.4.1 Sovraccarico 11.4.2 Corto circuito 11.4.3 Protezioni da sovracorrenti 11.5 Resistenza elettrica dell’uomo, pericolosità della corrente elettrica e della tensione elettrica 11.5.1 Pericolosità della corrente elettrica 11.5.2 Resistenza elettrica dell’uomo e resistenza convenzionale 431 432 432 433 433 435 435 435 436 437 437 438 Indice 11.5.3 Pericolosità della tensione elettrica 11.6 Protezione dai contatti diretti 11.6.1 Protezione totale 11.6.2 Protezione parziale 11.6.3 Protezione tramite interruttore differenziale 11.7 Protezione dai contatti indiretti 11.7.1 Protezione senza interruzione automatica dell’alimentazione 11.7.2 Impianto di terra 11.7.3 Protezione con interruzione automatica dell’alimentazione Appendice A Algebra lineare e numeri complessi 439 440 440 441 441 442 443 443 444 447 XI A.1 Soluzione di sistemi di equazioni lineari, regola di Cramer, equazioni matriciali A.2.1 L’identità di Eulero 447 448 451 Appendice B La trasformata di Laplace 453 A.2 Introduzione all’algebra complessa B.1 La frequenza complessa e la trasformata di Laplace B.1.1 Frequenza complessa B.1.2 La trasformata di Laplace B.1.3 Funzioni di trasferimento, poli e zeri 453 453 455 458 Indice analitico Eserciziario 461 467
