Corso di ELETTROTECNICA - Università degli Studi di Napoli

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Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) Anno Accademico 2009/10 ‐ Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica II anno ‐ I semestre (M‐Z) Corso di ELETTROTECNICA Seminario Conclusivo del Corso prof. Giovanni Lupò Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Elettrica – via Claudio 21 – NAPOLI 081 7683252 – [email protected] 1
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) SVILUPPI & APPLICAZIONI LA MACCHINA SINCRONA LA MACCHINA ASINCRONA LA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA ELETTRONICA DI POTENZA GLI STRUMENTI DI MISURA REALI IMPIANTI ELETTRICI IMPIANTI DI BORDO PROBLEMATICHE SICUREZZA SOLLECITAZIONI ORDINARIE (PERMANENTI E TRANSITORIE) SOLLECITAZIONI ANOMALI ‐ FULMINE GUASTI ‐ AFFIDABILITA’ ‐ DURATA DI VITA – STRESS ‐ STRENGTH CONTINUITA’ DEL SERVIZIO 2
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) QUALITA’ 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 (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 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 3
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) ‐ La reazione d’indotto provoca una diminuzione del flusso per polo; influenza del tipo di carico. ‐ Impedenza equivalente: impedenza sincrona ‐ Caratteristiche di carico e caratteristiche esterne: 4
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) LA MACCHINA ASINCRONA ‐ Campo rotante creato dalle correnti di statore di pulsazione ω con p terne di bobine (coppie polari) ω s =
ω
p
‐ Scorrimento tra campo rotante e rotore s =
ωs − ωr
: s=1 : rotore fermo; s=0 : rotore al sincronismo ; s<0 : rotore lanciato oltre il ωs
sincronismo; s>1 : rotore fatto girare in senso opposto al campo rotante ‐ Funzionamento da motore (s compreso tra 0 e 1) oppure da generatore (s<0 o s>1) ‐ A rotore bloccato, rete equivalente simile a quella di un trasformatore ‐ A rotore in moto, rete equivalente riferita alle grandezze di statore a pulsazione (ω) diversa da quella di rotore (s ω) 5
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) I 2s =
E2 s
R22 + ( sωL2 d )
=
sE2
R22 + ( sωL2 d ) 2
=
E2
2
⎛ R2 ⎞
2
⎜ ⎟ + ( X 2d )
⎝ s ⎠
→
R2
⎛1− s ⎞
= R2 + R2 ⎜
⎟
s
⎝ s ⎠
Bilancio energetico P1 = PCu1 + PFe1 + Ps
⇒ PCu 2
⎛1− s ⎞ 2
Ps = PFe 2 + PCu 2 + Pm ≈ R2 I 22 + R2 ⎜
⎟I2
s
⎝
⎠
= sPs ; Pm = (1 − s ) Ps
rendimento di conversione η 2 =
Pm
= 1 − s → snom ≅ 0.05
Ps
6
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) CARATTERISTICHE MECCANICHE Coppia motrice ⎛1− s ⎞ 2
R2 ⎜
⎟I 2
Pm
Pm
spE 22
sR2V12
s ⎠
⎛R ⎞
⎛1⎞
⎝
Cm =
≈
=
=
=⎜ 2 ⎟ 2
⎜
⎟
2
2
2
ω
ω r ω s (1 − s )
⎝ ω ⎠ R2 + ( sX 2 d )
⎝ ω ⎠ R2 + ( sX 2 d )
(1 − s )
p
(
)
R
V2
dC
= 0 ⇒ R2 R22 + ( sX 2 d ) 2 − sR2 2 X 2 d ( sX 2 d ) = 0 ⇒ s M = s* = ± 2 ⇒ C M ≡ 2 1
ds
X 2d
ω L2 d
‐ 7
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) Per l’avviamento possiamo considerare una variazione di R2 (avviamento reostatico) o una variazione 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. 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. Basterà quindi creare un circuito ausiliario prevalentemente capacitivo (condensatore di avviamento). Per piccole potenze. 8
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) GLI STRUMENTI DI MISURA Strumenti analogici, portata – fondo scala Errore assoluto ed errore relativo, classe di uno strumento – Errore di parallasse Errori sistematici ed errori casuali Qualità degli strumenti: Sensibilità, Fedeltà, Precisione, Prontezza Strumenti magnetoelettrici (voltmetri, amperometri, ohmmetri) Strumenti elettrodinamici (voltmetri, amperometri, wattmetri, varmetri, contatori di energia) Strumenti ad induzione (contatori di energia) Misura del valore di picco L’oscilloscopio analogico Strumenti digitali (conversione analogico/numerica) Termocoppie Convertitori ad effetto Hall 9
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) IMPIANTI ELETTRICI DIMENSIONAMENTO – VERIFICA TERMICA – VERIFICA MECCANICA SOVRATENSIONI ORIGINE ESTERNA (es. fulmini) ORIGINE INTERNA (es. transitori) PROTEZIONE: Scaricatori in aria o ad ossido di zinco, spinterometri, varistori SOVRACORRENTI SOVRACCARICO GUASTO PROTEZIONE: Fusibili rapidi o lenti, interruttori – Potere di interruzione DISPOSITIVI DI MANOVRA Sezionatori, contattori, relè DISPOSITIVI DI MANOVRA E PROTEZIONE Relè termico, magnetotermico, differenziale COORDINAMENTO DELLE PROTEZIONI IMPIANTI DI TERRA RETI DI DISTRIBUZIONE: SISTEMI TT, TN, IT ELEMENTI DI SICUREZZA: PROTEZIONE DAI CONTATTI DIRETTI ED INDIRETTI NORME CEI – CENELEC – LEGGE 46/90 10
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) STUDIO DEL FULMINE E PROBLEMATICHE CONNESSE Le sorgenti possono dipendere direttamente dai campi (“sorgenti interne”, in rosso) o meno (“sorgenti esterne”, in blu; in realtà, anche le sorgenti “esterne” possono essere “prodotte” dai campi. ∂B
(1”) ∇ × E = −
∂t
(2”) ∇ ⋅ E =
ρ
ε0
(3”) ∇ ⋅ B = 0 ∂E ⎞
⎛
(4”) ∇ × B = μ 0 ⎜ J + ε 0
⎟ ∂t ⎠
⎝
Il sistema di equazioni differenziali di Maxwell si presta a soluzioni analitiche dirette solo in alcuni casi (ad es. propagazione di onde piane). Dal punto di vista generale occorrerà considerare che le equazioni di Maxwell sono differenziali nello spazio e nel tempo e quindi occorrerà conoscere (vedi oltre) le condizioni al contorno del dominio di indagine (o le condizioni all’infinito, nel caso di domini illimitati) e le condizioni iniziali. 11
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) TEMATICHE DI INDAGINE E SVILUPPO 1. Fenomenologia del fulmine 2. Fulminazione diretta ed indiretta di oggetti e strutture a terra o fuori terra 3. Modelli sperimentali in laboratorio e allʹaperto 4. Diagnostica 5. Protezione dalla fulminazione diretta 6. Protezione dalla fulminazione prossima o indiretta 7. Prove – Normativa 12
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) FENOMENOLOGIA DEL FULMINE 1. Fenomeni elettrici naturali nellʹatmosfera 2. Fenomeni di pre‐scarica ‐ Innesco del fulmine 3. Sviluppo del canale di fulmine (leader). 4. Attachment 5. Colpo di ritorno (return stroke) 6. Dart leader e successivi colpi di ritorno (restrike) 13
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) STUDI SUL FULMINE Teorie e sperimentazioni 1746 1752 1752 1753 1775 1779 1782 1842 1860 Winkler, J.H. Die Stärke der elektrischen Kraft des Wassers: Breitkopf, Leipzig Franklin, B. Phys.Trans. Roy.Soc. 47, 289 confronta le scariche elettriche con i fulmini e li collega allʹinterazione di particelle cariche nellʹaria fa riferimento allʹaccumulo di cariche nelle nubi temporalesche e conduce esperimenti a Filadelfia Conduce esperimenti simili a quelli di Franklin a Marly (Parigi)usando bottiglie di Leida DʹAlibard, T.F. Letter to Acad. des Sciences Provoca con un captatore una scarica elettrica di 3 m,... with more noise De Romas, J. than a pistol shot Memoire...Mem.Acad. Bordeaux studia le variazione del campo elettrico in condizioni di bel tempo Beccaria, G.B. Dellʹelettricità terrestre atmosferica a cielo sereno‐ Turin introduce nuovi metodi di misura (elettrometro dʹargento, conduttore De Saussure, H.B. mobile) Voyage dans les Alpes Geneva prende in considerazione lʹelettrificazione dellʹaria a causa della Volta, A.‐Del modo di rendere sensibilissima la più debole elettricità
vaporizzazione dellʹacqua sia naturale sia artificiale. Phil.Trans.Roy. Soc. 72, p.237‐280 ipotizza una elettrificazione permanente negativa della terra Peltier, A. Récherches sur la cause des phénomènes électriques de lʹatmosphère .Ann.Chim.Phys. 4, 385 ‐costruisce elettrometri a grande sensibilità Thomson, W. (Lord Kelvin) ‐ propone la registrazione fotografica e lʹuso di palloni‐sonda Atmospheric electricity ‐ esegue misure sulla polarità della pioggia Roy. Instn. Lect. ‐ introduce il concetto di gradiente del potenziale elettrico naturale 14
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 1887 1896 1902 1903 1905 1911 1916 1920 1926 1927 ‐ valuta il tempo di rilassamento dellʹaria in 10‐50 minuti; eppure la Linss, F. terra rimane negativa Uber einige Wolken‐ und Lufteletrizitaet betreffende Probleme, Met
Z. 4,p.345‐362 ‐ per primo rilevò oscillazioni a radiofrequenza provenienti Popov, A.S. dallʹatmosfera J.Russ.Phys.Chem.Soc 28 p.7‐9 ‐ quasi contemporaneamente postulano lʹesistenza di strati conduttivi Heaviside, O. Thelegraphy. I. Theory ‐Encicl. Brit,33, 213‐218 nella parte alta dellʹatmosfera per giustificare la trasmissione a lunga Kennelly, A.E. distanza delle radioonde On the evaluation of the electrically conducting strata of the earthʹs atmosphere.‐Electr.World, N.Y.,39,473 studia la struttura del fulmine con una camera mobile Walter, B. Ann.Phys.,Leipzig 10,393‐407 dimostra la presenza nellʹatmosfera di ioni di garndi dimensioni Langevin, P. Sur les ions de lʹatmosphère C.R. Acad.Sci.,Paris 140,232‐234 attribuisce ai raggi cosmici la principale causa di formazione degli ioni Hess, V.F. Messungen der durchdringenden Strahlen bei zwei Freiballonfahrten nellʹatmosfera; nella parte più alta interviene la radiazione solare, nella parte bassa contribuiscono i fenomeni radioattivi S.B.Akad. Wiss.,Wien 120, 1575‐84 ‐ propone un modello di ionizzazione delle particelle dʹacqua e di Wilson, C.T.R. separazione di carica nelle nubi temporalesche On some determinations... Proc.Roy.Soc,A,92,555‐74 ‐ suggerisce che la terra rimane negativa a causa delle precipitazioni Wilson, C.T.R. Investigation on lightning discharges... negative in tutto il mondo Phil.Trans.,A,221, 73‐115 progetta una camera rotante (fig.1.1.8‐9) Boys, C.V. Nature, Lond,118 749‐750 ‐ introduce lʹidea della carica positiva localizzata nella parte inferiore Simpson, G.C. della nube The mechanism of a thunderstorm Proc.Roy.Soc.A,14,376‐401 15
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 1932 1953 1955 1957 1958 ‐ distingue tra lo strato conduttivo dovuto ai raggi cosmici (elettrosfera) Schonland, B.F.J. dagli strati di Heaviside di origine solare (ionosfera) Atmospheric electricity Metheun, London Effects of lightning on metallic aircraft Newman, N.N. Aircraft and lightning ‐ Thunderstorm electricity pp328‐334 Gli USA pubblicano dati ed esperienze tenute segrete condotte su aeroplani durante la II guerra mondiale Clark, J.F.Airborne measurement of atmospheric potential gradient ‐ misurano la conducibilità dellʹaria sulla Groenlandia e stimano a 300 kV il potenziale dellʹelettrosfera J.Geophys.Res, 62,617‐28 Kraakevik, J.H.Electrical conduction and convection currents in the
proposphere.Rec.Adv.75‐88 1980‐... ‐ programmi NASA sui fulmini sia con rilievi, misure e sperimentazione sia a terra che in volo 16
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) CORRENTI DI CONDUZIONE NELL’ARIA Heaviside layers (ionosphere)
(+)
Equalizing layer (electrosphere)
Heaviside layers (ionosphere)
50 km
balloons
clouds
22km
0.2-15 km
(-)
VALORI MEDI MISURATI DEI PARAMETRI DI CONDUZIONE ⎡V ⎤
E0 = E (h = 0) = 150 ⎢ ⎥
⎣m⎦
⎡S ⎤
σ = μ + n+ q+ + μ − n− q− = 2.3 10 −14 ⎢ ⎥
⎣m⎦
⎡ A⎤
J 0 = σE0 = 3.45 ⋅10 −12 ⎢ 2 ⎥
⎣m ⎦
I earth = J 0 S earth = 3.45 ⋅ 4 ⋅ π ⋅ (6.3) = 1760 A
2
17
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) Carica ʺcontinuamenteʺ trasferita 4πε 0
2
4πε 0rearth
≅
≅ 40 mF
C=
⎛ 1
⎞ helectrosphere
1
Qc = I earthT = 1760 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 ≅ 55 ⋅ 10 9 C
−
⎜
⎟
rearth relectrosphere ⎠
⎝
ossia
Qc' ≅ 110 C / km 2 / anno
G≅ 0.01 mS τ≅ 1 h 18
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) CORRENTI DI PRECIPITAZIONE Nubi di maggior importanza: ‐ cumulo‐nembi ‐ nembo‐strati MECCANISMI DI SEPARAZIONE DI CARICHE NELLE NUBI ‐ teorie microscopiche ‐ teorie macroscopiche ‐ Teoria di Wilson (1920): cattura preferenziale di elettroni e cariche negative a gocce dʹacqua in caduta polarizzate per induzione ⇒ piogge ʺnegativeʺ ‐ Teoria di Simpson (1927): il meccanismo Wilson è integrato dalla formazione di ioni positivi a partire da gocce dʹacqua polverizzate da correnti ascensionali ⇒ piogge ʺpositiveʺ; la distribuzione delle cariche nelle nube è strettamente legata alla temperatura. 19
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) CLASSIFICAZIONE DEI FULMINI ‐ nube‐terra (cloud‐to‐ground lightning) ‐ interno alla nube (intracloud lightning) ‐ nube‐nube (intercloud lightning) ‐ nube‐aria (cloud‐to‐air lightning) 20
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) ‐ CLASSIFICAZIONE DEL FULMINE NUBE‐TERRA ‐ discendente negativo; ‐ discendente positivo; ‐ ascendente positivo; ‐ ascendente negativo Ramificazione Intercettazione 21
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 22
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 23
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 24
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 25
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) FULMINI NUBE‐NUBE 26
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 27
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) FREQUENZA DEI FULMINI ‐ Carte isocerauniche ‐ Medie mondiali: 30 fulmini al secondo (carte isoceraun mondo, USA, Italia) 28
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 29
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) MODELLO Quasi Stazionario Elettrico Equazione di Poisson ∇ ⋅ E = ∇ 2V = −
ne + nn − n p
ε0
e Equazioni di continuità dnϕ
∂ne
n
− De ∇ 2 ne + ∇ne + ne ∇ ⋅ v e = (α − η )ne v e + n +
− a e n p ne
∂t
τ n dt
∂n
n
ioni negativi n − Dn ∇ 2 nn + ∇nn + nn ∇ ⋅ v n = ηne v e − n − a n n p nn
∂t
τn
∂n p
ioni positivi
− D p ∇ 2 n p + ∇n p + n p ∇ ⋅ v p = α ne v e − a e n p ne − a n n p n n
∂t
∂ni
ni* ni*
mol eccit
= δ ei ne v e + δ ni nn v n + δ pi n p v p − * − * (i = 1, ∞ )
∂t
τ i τ qi
Funzioni caratteristiche
E
E
E
Drift v e ( E ) = − v e ( E ), v n ( E ) = − v n ( E ), v p ( E ) =
vp(E)
E
E
E
elettroni
ionizzazione,attacco,distaccoα = α ( E ),η = η ( E ),τ n = τ n ( E )
eccitazioneδ
ei
=δ ( E ), δ =δ ( E ), δ =δ ( E ) (i = 1, ∞ )
ei
ni
ni
pi
pi
fotoionizzazione
dnϕ
dt
∞
= ∑ ∫∫∫ η i μ i
i =1
V
ni* (P0 )e μi (P − P0 )
(
4πτ i P − P0
)
2
dV0
30
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) MODELLO TOPOLOGICO Indagine su figure di Lichtenberg Frattali Laplaciani stocastici Probabilità di avanzamento della scarica: p ( P, P ' ) =
( E( P, P' ) − E )ζ ζ
∑ ( E( P , P ' ) − E )
0
0
P'
Creazione di ʺlisteʺ di possibili streamer Valutazione del meccanismo precursore ‐ Transizione streamer‐leader Definizione della zona attiva Valutazione della dimensione frattale (figura statica e dinamica) Meccanismo ʺadd and cutʺ Coefficiente di ʺgrowth rate fluctuationʺ su N iterazioni n
{
X (n, N ) = ∑ ξ (n ) − ξ
k =1
N
}
R ( N ) = max n =1..., N X (n, N ) − min n =1..., N X (n, N ) Ξ=
R( N )
{
1 N
∑ ξ (n) − ξ
N k =1
}
2
N
⎛N⎞
=⎜ ⎟
⎝2⎠
H
31
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) dove il coefficiente di Hurst H è legato alla dimensione frattale [H=2‐D] 32
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) FASE DI PRE‐BREAKDOWN Ipotesi sui centri di carica Innesco nella zona p Localizzazione centri di cariche Distanze dei centri di cariche Studi in atto 33
Anno Accademico 2009/2010 – CdL in Ingegneria Meccanica (M‐Z) 34
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