Corso di Elettrotecnica Allievi Ing. Navale e Scienza ed Ing, dei Materiali Reti Elettriche Parte II Revisione aggiornata al 8 novembre 2013 (www.elettrotecnica.unina.it) Circuiti in regime lentamente variabile Bipoli elementari lineari Bipoli resistenza e induttanza v Ri v Ri di vL dt di v L dt In regime stazionario equivale ad un corto circuito ideale Bipoli capacità e generatori ideali di tensione e di corrente iC dv dt v e(t ) i C dv dt i j (t ) Flusso di autoinduzuine La corrente i crea B(t) e il flusso di autoinduzione γ concatenato con la spira orientata γ. Se γ è immersa in un mezzo lineare: γ=f(i)=Li L è il coefficiente di autoinduzione [Henry].Se il verso di γ è concorde con il verso di i, per i>0 γ>0 e per i<0 γ<0 → L= γ/i>0 i>0 B ndS f (i) S Bn 0 Esempi di realizzazione del bipolo induttanza Nella spira attraversata da i(t) insorge la f.e.m. e(t): e d / dt in cui φγ è il flusso d’autoinduzione Li. LKT fornisce: v+e=Ri Trascurando R: v d / dt 0 di vL dt Esempi di realizzazione del bipolo induttanza S di vL dt Esempio di realizzazione del bipolo capacità Dato il condensatore piano C la LKT fornisce: v-vC=Ri≈0 C v(t) v=vC q=cvC dvC dq i C dt dt dv iC dt Realizzazione di generatori di tensione sinusoidale t B ndS ( B cos )S BS cos t S e d dt BS sin t γ Realizzazione di generatori di tensione sinusoidale Richiami sulle funzioni periodiche Si dice periodica una funzione del tempo y=f(t) che assume valori che si ripetono a "intervalli" regolari T. Si ha: f (t ) f (t kT ) Si dice periodo il valore minimo di T (se esiste) che soddisfa tale relazione. % Richiami sulle funzioni periodiche La frequenza è il numero di cicli in un secondo: f=1/T [Hertz] La pulsazione è la quantità: ω=2πf=2π/T [Rad/sec] Si dice valore medio di f(t) nel periodo T la quantità: 1 Fm T t o T f (t )dt t0 indipendente da t0. Se Fm=0, f(t) si dice alternata o alternativa. Si dice valore efficace di f: 1 F T t 0 T t0 f 2 (t )dt (valore quadratico medio) Funzioni periodiche: significato fisico del valore efficace Regime periodico Regime stazionario p=vi=Ri2 P=VI=RI2 Energia assorbita nell’intervallo T T WP Ri (t )dt 2 0 I 2 regimi sono equivalenti se WP=WS T WS RI 2 dt RI 2T 0 1 I T t 0 T 2 i (t )dt t0 Circuiti in regime lentamente variabile Analisi dei circuiti in regime sinusoidale Grandezze sinusoidali a(t ) AM sin( t ) / / AM ampiezza α fase Valore efficace: 1 A T t 0 T A 2 M sin (t )dt 2 t0 Se f=50 Hz, T=20 ms, ω=100π rad/s a(t ) 2 A sin( t ) AM 2 Richiami sui numeri complessi Rappresentazione geometrica nel piano complesso z è l’affissa complessa di P Rappresentazione algebrica z=x+jy dove j è l’unità immaginaria definita da j2=-1. x è la parte reale di z y la parte immaginaria z è indicato anche come (x ,y). P è l’immagine di z. Gli assi x (asse reale) e y (asse immaginario) contengono le immagini di tutti i numeri reali e puramente immaginari. % Richiami sui numeri complessi Rappresentazione vettoriale di z sul piano complesso Complesso coniugato di z=x+jy: z*=x-jy Modulo di z: z OP ( x 2 y 2 ) Argomento di z (anomalia del vettore OP) arg( z ) arctg ( y / x) ρ e θ sono le coordinate polari di z che si può indicare anche come z=[ρ, θ] % Richiami sui numeri complessi x cos Rappresentazione trigonometrica di z=x+jy: z=ρ(cosθ+jsin θ) Per la formula di Eulero ejθ=cosθ+jsinθ si ha la formulazione esponenziale complessa di z: y sin z=[ρ, θ]= ρ ejθ Operazioni sui numeri complessi SOMMA z1 x1 jy1 z z1 z 2 z 2 x2 jy2 z z1 z2 ( x1 x2 ) j( y1 y2 ) x jy x x1 x2 y y1 y2 Prodotto di numeri complessi Rappresentazione algebrica z1 x1 jy1 z 2 x2 jy2 z z1 z 2 z z1 z 2 ( x1 x2 y1 y2 ) j( x1 y2 x2 y1 ) Rappresentazione polare z1 [ 1 ,1 ] 1e j1 z 2 [ 2 , 2 ] 2 e j 2 z z1 z 2 ( 1 2 )e j (1 2 ) e j [ , ] 12 1 2 Divisione di numeri complessi Rappresentazione algebrica z1 x1 jy1 z x z 2 x2 jy2 z1 x jy1 ( x1 jy1 )( x2 jy2 ) ( x1 x2 y1 y 2 ) j ( x2 y1 x1 y 2 ) 1 x jy 2 2 z 2 x2 jy2 ( x2 jy2 )( x2 jy2 ) x2 y 2 x1 x2 y1 y 2 x22 y 22 y x2 y1 x1 y 2 x22 y 22 Rappresentazione polare z1 [ 1 ,1 ] 1e j1 z 2 [ 2 , 2 ] 2 e j 2 z z1 / z 2 ( 1 / 2 )e j (1 2 ) e j [ , ] 1 / 2 1 2 I vettori rotanti La grandezza sinusoid. a(t ) 2 A sin( t ) è compiutamente identificata da A, α e ω, come la grandezza: a(t ) Ae j (t ) Si ha quindi una corrispondenza biunivoca tra le a(t) e le a(t ) . Si ha: a(t ) 2 Im[ a(t )] a (t ) 2 a (t ) I fasori Fissata ω, a(t ) 2 A sin( t ) A è compiutamente identificata da A e α, come il fasore α definito da: A Ae j a (t ) 2 A sin( t ) Si ha quindi una corrispondenza biunivoca 2 Im[ Ae j (t ) ] 2 Im[ Ae jt ] tra le a(t) nel dominio del tempo ed i fasori A nel A [a(t )]t 0 A A campo complesso. Le operazioni sulle grandezze sinusoidali: la somma Date a(t ) 2 A sin( t ) A Ae j b(t ) 2 B sin( t ) B Be C B j c(t ) a(t ) b(t ) 2 Im[ Ae jt ] 2 Im[ Be jt ] 2 Im[( A B)e jt ] 2 Im[ Ce jt ] A dove: C A B Ce j c(t ) 2C sin( t ) O a(t ) A b(t ) B c(t ) a(t ) b(t ) C A B Applicazione dei fasori nello studio delle reti in regime sinusoidale (Esercizio 1) Date i1(t), i2(t) e i3(t) calcolare i(t). i2 (t ) 2 8 cos(t ) i (t ) 12 sin( t 45) 1 i3 (t ) 2 4,5 cos(t 27) f (t ) 2 F sin( t ) F Fe j i1 (t ) 12 sin( t 45) 2 ( 2 6) sin( t 45) I 1 2 6e j 45 6 j 6 i2 (t ) 2 8 cos(t ) 2 8 sin( t 90) I 2 8e J 90 j8 i3 (t ) 2 4,5 cos(t 27) 2 4,5 sin( t 63) I 3 4,5e j 63 2 j 4 i(t ) i1 (t ) i2 (t ) i3 (t ) I I 1 I 2 I 3 8 j 6 10e j 37 i (t ) 210 sin( t 37) Relazioni di fase tra grandezze sinusoidali 0 a(t ) 2 A sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) b(t) è sfasata in ritardo rispetto ad a(t) dell’angolo φ Relazioni di fase tra grandezze sinusoidali 0 0 a(t ) 2 A sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) b(t) è sfasata in anticipo rispetto a a(t) dell’angolo │φ│ Relazioni di fase tra grandezze sinusoidali 0 a(t ) 2 A sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) 2 B sin( t ) a(t) e b(t) sono in fase Prodotto di una grandezza sinusoidale per una costante Date: a(t ) 2 A sin( t ) A Ae j A ed una costante reale k>0, c(t ) ka(t ) 2kAsin( t ) c(t ) C kAe j k A a (t ) A c(t ) ka(t ) C k A C α Prodotto di un fasore per un numero complesso A Ae j a(t ) 2 A sin( t ) D De j dove D D D A D Aei ( ) C Ce j C Ce j c(t ) 2C sin( t ) C D A A a (t ) D A c(t ) Prodotto di un fasore per l’unità immaginaria j A Ae j a(t ) 2 A sin( t ) e j / 2 cos( / 2) j sin( / 2) j C jA e j / 2 Ae j Ae j ( / 2 ) j fattore di rotazione di /2 c(t ) 2 A sin( t 2 ) A a (t ) j A c (t ) Derivata temporale di una grandezza sinusoidale Data a(t ) 2 A sin( t ) A Ae j c(t ) da 2 A cos(t ) dt 2 A sin( t c(t ) C Ae j ( / 2 ) j A 2 A C ) a (t ) A da c(t ) C j A dt α Prodotto di grandezze sinusoidali a(t ) 2 A sin( t ) b(t ) 2 B sin( t ) c(t ) a(t )b(t ) 2 A sin( t ) 2 B sin( t ) 1 sin x sin y cos( x y ) cos( x y ) 2 c(t ) ABcos( ) cos(2t Bipolo resistenza in regime sinusoidale v Ri Dominio dei fasori V Ve j I V RI I Dominio del tempo v(t ) 2V sin( t ) i(t ) 2 I sin( t ) 2 I sin( t ) V R I Ie j ( ) 0 V V j e R R z V R I impedenza Bipolo induttanza in regime sinusoidale Dominio dei fasori vL di dt V Ve j V j L I I Dominio del tempo v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t ) 2 I sin( t 2 ) I Ie j 1 e V V L X j j ( ) 2 L d j L dt V V j ( 2 ) I e jL L 2 z V jL I impedenza X L Reattanza Bipolo capacità in regime sinusoidale Dominio dei fasori d j j ( ) C j C dv V Ve I Ie dt iC j j ( ) dt V e 2 I jCV j 1 e 2 I 1 / C V V I Dominio del tempo 2 1 / C X v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t ) V 1 z j C I 2 I sin( t ) Impedenza 2 1 C Reattanza X Bipolo R-L in regime sinusoidale Dominio del tempo LKT v vR vL 0 v Ri L vR Ri di d R L i dt dt v(t ) 2V sin( t ) Dominio dei fasori v(t ) V Ve V ( R jL) I i (t ) I Ie j z j ( ) V R jL R jX I L arg( z ) arctg R di vL L dt i (t ) 2 I sin( t ) d R L R jL dt z ze j V V j ( ) I e z z z z R 2 (L) 2 I V z % Bipolo R-L in regime sinusoidale z P (z ) φ=arctg(ωL/R) Dominio del tempo i (t ) 2 V R (L) 2 2 sin t arctg (L / R) i(t) costituisce un integrale particolare dell’equazione differenziale v Ri L di dt Bipolo R-L in regime transitorio (v(t) sinusoidale) L’integrale generale dell’equazione differenziale: v Ri L di dt i(t ) ket i p (t ) dove ip(t) è un integrale particolare e λ è la è radice dell’equaz. caratteristica dell’equaz. omogenea associata R+λL=0 t / T i (t ) ke R 1 L T (T=L/R costante di tempo) 2 V R (L) 2 lim t ke t / T 0 2 sin t arctg (L / R) ke t / T (trascurabile per t>5T) % Bipolo R-L in regime transitorio (v(t) sinusoidale) Se ad es. R=10 Ω, X=ωL=10 Ω, per f=50 Hz ω=100π rad/s, L=0,1/π Henry, T=L/R=0,01/π=3,18 ms; dopo circa 16 ms il termine transitorio ke-t/T è trascurabile. Bipolo R-C in regime sinusoidale Dominio del tempo v vR vC 0 vR Ri v Ri vC v RC i (t ) I Ie j ( ) V RI V C LKT iC dvC dt dvC vC dt v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t ) Dominio dei fasori v(t ) V Ve j 1 VC j I C z ze j 1 V R j I C z z R 1 /(C ) 2 2 z I jCV C V 1 R j R jX C I 1 RC arg( z ) arctg % Bipolo R-C in regime sinusoidale V V j ( ) I e z z V I z 1 C z Dominio del tempo i (t ) 2 V R 1 /(C ) vC (t ) 2 2 2 sin[ t arctg (1 / RC )] V sin[ t arctg (1 / RC ) / 2] Cz Bipoli R-L e R-C in regime stazionario v(t)=V (costante) v(t)=V (costante) v vR vL vR Ri vL L v Ri i=V/R di 0 dt v vR vC vR Ri dvC iC 0 dt vR 0 v vC Bipoli R,L,C in regime sinusoidale B=0 V z A jB I z R R=A 0 B>0 B<0 R=A R=A z R jL L B 0 1 z R j C 1 B C 0 Ammettenza di un bipolo z I 1 y V z Ammettenza z R jS y 1 R S 2 j G jB 2 2 2 R jS R S R S [Ω-1] Corrispondenza tra regime stazionario e regime sinusoidale Regime stazionario Regime sinusoidale z V RI I GV V z I I yV Corrispondenza tra regime stazionario e regime sinusoidale Regime stazionario m LKT LKC () E k ( ) Rk I k 1 m r 1 k m m 1 () I Regime sinusoidale ( ) J k 1 LKT () E m k 1 1 m LKC () I 1 () zk I k r k ( ) J k 1 Corrispondenza tra regime stazionario e regime sinusoidale Regime stazionario Regime sinusoidale n n Millmann V AB EG i i 1 n G i 1 E y i Millmann V AB 1 n y 1 i i Corrispondenza tra regime stazionario e regime sinusoidale Bipolo di Thévenin in regime stazionario Bipolo di Thévenin in regime sinusoidale z V E RI V E z I Corrispondenza tra regime stazionario e regime sinusoidale Bipolo di Norton in regime stazionario Bipolo di Norton in regime sinusoidale z V R( J I ) V z ( J I ) Impedenze in serie n V V k z1 z2 1 zn V k zk I n V I z k z eq I 1 zeq n zeq zk 1 Impedenze in parallelo z1 zeq z2 V zeq I zn n I Ik 1 V Ik y k V zk zeq 1 n 1 z 1 n I V y k y eq V 1 zeq 1 y eq k 1 n y 1 k Bipolo R-L-C e risonanza Impedenza L’impedenza del bipolo è: 1 z R j L C il bipolo è in risonanza se: L 1 0 0 C 1 LC ω0 pulsazione di risonanza. 1 2 z z R L C 2 Bipolo R-L-C e risonanza Corrente Valore efficace della corrente V Ve j Se V I Ie j ( ) z I V z V 1 2 R L C 2 Il valore massimo di I si ha per ω=ω0 ed è pari a V/R Bipolo R-L-C e risonanza. Fase Lo sfasamento φ: 1 L C arg( z) arctg R φ<0 per ω<ω0 il bipolo è equivalente a un bipolo R-C φ=0 per ω=ω0 il bipolo è equivalente al bipolo R φ >0 per ω>ω0 il bipolo è equivalente ad un bipolo R-L Bipolo R-L-C e risonanza Fattore di merito I Per ω=ω0 si ha: V L j0 L I VL ω=ω0 0 L R VL VC V V R 1 VC j I 0C 1 VC V 0CR Q 0 L R Q fattore di merito VL VC Q V V 1 0CR Bipolo R-L-C e risonanza Selettività La potenza massima assorbita dal bipolo si ha in ω=ω0: Pmax=RI2 In A e B la potenza P=Pmax/2. Δω è la larghezza di banda. Quanto più stretta è la banda tanto più selettivo è il bipolo. Al diminuire di R cresce Q=ω0L/R e Δω diminuisce. Bipolo R-L-C e risonanza Influenza di R Un esempio numerico (Esercizio 2) A v(t ) 2100 cos(t 30) f=10 Hz, R=7,32 Ω, R’=20 Ω, L=1/π Henry, C=1/(400π) Farad Calcolare i(t), i’(t), i”(t) B v(t ) 2100 sin( t 60) V 100e j 60 50 j86,6 V ω=2πf=20π rad/s, XL=ωL=20 Ω, XC=20 Ω. z AB R j ( X L X C ) R' //( jX L ) z AB 17,32 j10 20e I' I j 30 Ω R' 3,41 j 0,91 3,53e j15 A R' jX L R' // jX L 20( j 20) 10 j10 Ω 20 j 20 V I 5e j 30 4,33 j 2,5 A z AB I '' I jX L 0,91 j 3,41 3,53e j 75A R' jX L % i (t ) 2 5 sin( t 30) i ' (t ) 2 3,53 sin( t 15) i" (t ) 2 3,53 sin( t 75) Potenza nei circuiti in regime sinusoidale Definizioni Se la tensione e la corrente di un bipolo sono: v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t ) Adottando per il bipolo la convenzione dell’utilizzatore per le potenze assorbite e quella del generatore per quelle erogate, si possono definire le seguenti grandezze: 1. p(t)=v(t)i(t) potenza istantanea [W] 2. P=VIcosφ potenza attiva [W] 3. Q=VIsinφ potenza reattiva (grandezza convenzionale) [VAr] % Definizioni 4. Papp=VI Potenza apparente (grandezza convenzionale) 5. [VA] P V I * Potenza complessa (grandezza convenzionale) La potenza istantanea, le potenze attiva, reattiva e complessa soddisfano il principio di conservazione delle potenze. Alle potenze non è applicabile la sovrapposizione degli effetti. La potenza apparente Nel caso di reti di distribuzione dell’energia elettrica la potenza apparente può essere correlata ai costi di investimento sostenuti per la realizzazione delle reti stesse. Infatti: Papp=VI La V è correlata ai costo relativi al sistema di isolamento. La I è correlata alla quantità di rame impiegata. La potenza istantanea p(t ) v(t )i (t ) 2V sin( t ) 2 I sin( t ) VI cos VI cos( 2t 2 ) Potenza attiva P 1 T t 0 T t0 Potenza fluttuante 1 p(t )dt VI cos T 1 P VI cos T t 0 T t0 t 0 T t0 p (t )dt VI cos( 2t 2 )dt 0 La potenza attiva P è pari al valore medio della potenza Istantanea p(t) % La potenza istantanea P=VIcosφ Espressioni della potenza attiva La potenza attiva P può essere espressa in funzione dei vettori V ed I rappresentativi della tensione e della corrente come: P VI cos V I oppure: P V ( I cos ) VI a Ia componente attiva della corrente Potenza attiva ed energia t W VI cos dt Pt 0 p fluttuante Se un utilizzatore U assorbe una potenza attiva P=VIcosφ costante nell’intervallo di tempo 0-t1>>T, l’energia assorbita è: t1 W p(t )dt (VI cos )t1 0 L’energia assorbita da U può essere associata alla resa economica per l’impianto che alimenta U. Pertanto la potenza attiva P può essere correlata a tale resa economica. Potenza attiva e potenza apparente La potenza attiva P è legata alla potenza apparente Papp dalla relazione: P=(Papp)cosφ Correlata alla resa economica Correlata ai costi di investimento Il cosφ è detto fattore di potenza Potenza reattiva La potenza reattiva Q=VIsinφ costituisce una grandezza convenzionale priva in generale di uno specifico significato fisico. Essa costituisce un indicatore di insoddisfacente resa economica e qualità del processo di utilizzazione dell’energia elettrica ed è utile nell’analisi delle reti elettriche poiché soddisfa il principio di conservazione. Essendo: (VI ) 2 P 2 Q 2 P P2 Q2 app a parità di potenza apparente, quanto maggiore è la Q, minore è la P e quindi la resa economica dell’impianto. Essendo inoltre: P2 Q2 I V a parità di P, quanto maggiore è Q, maggiore è I e quindi maggiori sono le perdite per effetto Joule e le cadute di tensione sulla linea elettrica che alimenta l’utilizzatore U % Potenza reattiva P1=P2 Q1<Q2 I1<I2 φ1<φ2 Potenza complessa v(t ) 2V sin( t ) V Ve j i (t ) 2 I sin( t ) I Ie j ( ) P V I * (Ve j )( Ie j ( ) ) VIe j VI (cos j sin ) P jQ OA P VI Papp P 2 Q 2 arg( P ) arctg (Q / P) Q Ptg Principio di conservazione delle potenze complesse Ipotesi: La stessa convenzione dei segni su tutti gli l lati della rete. Siano P1,.. Pi,…Pn gli n nodi della rete l l Tesi P V k 1 l U ( P" k 1 k Generico bipolo costituente il k-esimo lato della rete I *k 0 1 l ) I *k U ( P'k ) I *k 0 1 Somma parziale relativa al nodo Pi U Pi ( I *i1 I *i 2 .... I *ih ....I *il' ) 0 i V k U ( P"k ) U ( P'k ) Principio di conservazione delle potenze complesse Dal principio di conservazione delle potenze complesse: l P k 0 1 essendo: Pk Pk jQk si deducono i principi di conservazione delle potenze attive e reattive: l Pk 0 1 l Q k 1 0 Misura della potenza i(t) V(t) Papp VI Q (VI ) 2 P 2 P cos VI L’amperometro ed il voltmetro misurano il valore efficace (valore quadratico medio) di v ed i. Il wattmetro la potenza attiva P (valore medio della potenza istantanea v(t)i(t)). Potenze nel bipolo resistenza 0 V RI P VI cos VI RI 2 Q VI sin 0 Papp VI P P P RI 2 p(t ) v(t )i(t ) Ri 2 (t ) α=0 Potenze nel bipolo induttanza V j L I 2 X L V jX I α=0 P VI cos 0 Q VI sin VI LI XI 2 Wmax 1 L( 2 I ) 2 LI 2 2 Papp VI Q 2 W 1 2 Li 2 Q Wmax P jQ jXI 2 % Potenze nel bipolo induttanza v(t ) 2V sin( t ) α=0 i (t ) 2 I sin( t / 2) p(t ) v(t )i (t ) VI cos( 2t 2 / 2) VI sin( 2t 2 ) Potenze nel bipolo capacità V j X 1 I C 1 C 2 α=0 V jX I P VI cos 0 1 2 I XI 2 CV 2 C 1 C ( 2V ) 2 CV 2 Q Wmax 2 Q VI sin VI 1 2 W Cv Wmax 2 Papp VI Q P jQ jCV 2 % Potenze nel bipolo capacità v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t / 2) p(t ) v(t )i (t ) VI cos( 2t 2 / 2) VI sin( 2t 2 ) α=0 Potenze nel bipolo R-L α=0 φ>0 V z I z R jL R jX X L P VI cos zI 2 cos RI 2 Q VI sin zI 2 sin XI 2 Papp VI P RI 2 jXI 2 zI 2 % Potenze nel bipolo R-L v(t ) 2V sin( t ) i (t ) 2 I sin( t ) p(t ) v(t )i (t ) VI cos VI cos( 2t 2 ) α=0 Passività dei bipoli in regime lentamente variabile bipolo si dice invece passivo se, applicando la convenzione dell’utilizzatore, risulta per ogni t: t W vidt 0 Si ha quindi che l’energia che un bipolo passivo può erogare in un determinato intervallo di tempo non è mai maggiore di quella precedentemente assorbita. Sono passivi i bipoli R, L, C e tutti quelli risultanti dalla loro connessione. Potenze nel bipolo R-C V z I X z R j 1 C 1 R jX C P VI cos zI 2 cos RI 2 Q VI sin zI 2 sin XI 2 Papp VI P RI 2 jXI 2 zI 2 α=0 Una formulazione del principio di conservazione delle potenze P potenze complesse erogate P P P Ei Ji i Ri i i i 2 P P R I Ei Ji i Ri i i PLi jLi I Li2 PRi Ri I Ri2 i PLi PCi 0 i PCi j CiVCi2 2 2 Q Q L I C V Ei Ji i Li i Ci i i i i Rifasamento P cos Papp Quanto minore è il cosφ di un impianto peggiore è la sua resa economica per l’ente distributore dell’energia elettrica e a parità di P maggiore è la corrente assorbita. Per impianti con P>15 kW non è consentito il funzionamento con cosφ medio (cosφm) minore di 0,7. Per 0,7< cosφm<0,9 occorre pagare una penale commisurata all’energia reattiva assorbita (WQ). tg m t 0 t0 t 0 t0 Qdt Pdt WQ t 0 t0 Qdt dove τ è l’intervallo di fatturazione % Rifasamento U utilizzatore ohmicoinduttivo C capacità di rifasamento DIME φ*: φ desiderato DIMENSIONAMENTO DI C QC AD BD QU PU tg* PU (tgU tg*) QC CV 2 C QC 2fV 2 Caratterizzazione dei bipoli passivi Oltre che con l’equazione caratteristica: V z I i bipoli passivi si possono caratterizzare mediante: V ...... P ...... Q ........ V ...... Q ...... cos ........ V ...... P ...... cos ........ (ritardo) V ...... P ...... sin ........ V ...... Q ...... sin ........ V ...... P ...... cos ........ (anticipo) In particolare possono essere forniti i dati nominali. % Caratterizzazione dei bipoli passivi Da ciascuna di queste caratterizzazione si può dedurre l’operatore impedenza. Ad es. dalla prima si ha: Papp P Q VI 2 V z I 2 I arctg (Q / P) Papp V z ze j Utilizzazione del principio di conservazione delle potenze Esempi numerici Esercizio 3 v(t ) 2 220 sin( t ) + R=10 Ω, ωL=19,6 Ω. Dati di targa utilizzatore U Vn=220 V, Pn=1,76 kW, cosφu=0,8 (rit.) Calcolare indicazione amperometro A (valore efficace della corrente i) Applicazione conservazione potenze P’=RI’2, Q’=ωLI’2. I’=220/z’. Q’=1,96 kVAr. z ' R 2 (L) 2 22 Ω. I’=10 A, P’=1 kW, P”=Pn=1,76 kW, Q”=P”tgφu, tgφu=0,75, Q”=1,32 kVAr % Ptot=P’+P”=2,76 kW, Qtot=Q’+Q”=3,28 kVAr, 2 Papp Ptot2 Qtot VI 4,29 kVA, cosφ=Ptot/Papp=0,643, φ=49,9° I=Papp/V=19,48 A (Indicaz. amperometro) % Applicazione dei fasori V 220e 220 V; j0 Pn I" 10 Vn cos u A V I' 4,54 j8,9 10e j 63 A R jL I " I " e ju 10e j 36,9 8 j 6 A I I ' I " 12,54 j14,9 19,48e j 49,9 A I I 19,48 A Es.4 B Rl Ll B’ R=10 Ω, ωL=19,6 Ω. Dati di targa utilizzatore U Vn=220 V, Pn=1,76 kW, cosφu=0,8 (rit.) Rl=0,5 Ω ωLl=1 Ω Calcolare il valore efficace V della tensione a monte v(t) affinché a valle ai capi dell’utilizzatore U sia applicata la sua tensione nominale Vn Applicazione conservazione potenze Dall’esercizio 3 si ricavano i seguenti dati relativi alla sezione A,A’: I=19,48 A, PA=2,76 kW, QA= 3,28 kVAr. I dati corrispondenti nella sez. B,B’ % PB=RlI2 + PA=2,95 kW QB=ωLlI2 + QA =3,66 kVAr PappB PB2 QB2 VI 4,7 kVA V=PappB/I=241,2 V ΔV=V-Vn=21,2 V (8,7 %) Applicazione dei fasori Dall’esercizio 3 nella sezione A-A’: VA 220 V I 12,54 j14,9 A Nella sezione B-B’: V VA ( Rl jLl ) I 241,1 j5 V V V 241,2 V Eserc. 5 v(t ) 2 220 sin( t ) R=10 Ω, ωL=19,6 Ω. f=50 Hz Dati di targa utilizzatore U Vn=220 V, Pn=1,76 kW, cosφu=0,8 (rit.) Calcolare C in maniera tale da rifasare totalmente l’impianto (cosφ=1) Dall’esercizio 3 si ricavano i seguenti dati relativi alla sezione A,A’: IA=19,48 A, PA=2,76 kW, QA= 3,28 kVAr, cosφA=0,643 . QC CV QA 3,28 2 PB=PA=VIB kVAr IB=12,54 A C QC /(V 2 ) 216 μF ω =2πf=100π rad/sec Esercizio 6 Nella stessa rete dell’esempio 3) calcolare C in maniera tale che il cosφ nella sezione B-B’ sia pari a 0,9. PA=2,76 kW, QA= 3,28 kVAr, cosφA=0,643 φA=49,9° cosφ*=0,9 φ*=25,8° QC AD BD QA PAtg* 1,94 kVAr PB=PA=VIBcosφ* IB=13,94 A C QC /(V 2 ) 128 μF Reti con generatori a frequenza diversa Non è direttamente applicabile il metodo dei fasori. Se la rete è lineare si può applicare la sovrapposizione degli effetti nel dominio del tempo, considerando separatamente agenti i generatori a eguale frequenza. Per ciascun gruppo di generatori isofrequenziali si può applicare il metodo dei fasori. Un esempio numerico (esercizio 7) e1 (t ) 2100 sin( t 30) V e2 (t ) 2100 cos( 2t 30) V e3=200 V (costante) R=ωL= 1/(ωC)= 20 Ω Calcolare i1(t), i2(t), i3(t). ik(t)=i’k(t) + i’’k(t) + i’’’k(t) (k=1, 2, 3) % Calcolo delle i’k(t) (componenti a pulsazione ω) zL j 20 Ω zC j 20 Ω zBD ( R zL ) // zC 20 j 20 Ω z AD R zL zBD 40 Ω R z L I '2 I '1 3,41 j 0,91 3,53e j15 A R z L zC i '1 (t ) 2 2,5 sin( t 30) A E1 2,5e j 30 A z AD zC I '3 I '1 2,5e j120 A R z L zC I '1 e1 (t ) E1 100e j 30 86,6 j 50 V i '2 (t ) 2 3,53 sin( t 15) A i'3 (t ) 2 2,5 sin( t 120) A % Calcolo delle i’’k(t) (componenti a pulsazione 2ω) zL j 40 Ω zC j10 Ω ze zC ( R zL ) / 2 10 j10 Ω e2 (t ) E 2 100e j 60 50 j86,6 V I "2 I "2 E2 j15 j165 A j15 I " 3 , 53 e I " 3 , 53 e A A I "2 7,07e 1 3 2 2 ze i ' '1 (t ) 2 3,53 sin( 2t 15) A i ' '2 (t ) 2 7,07 sin( 2t 15) A i' '3 (t ) 2 3,53 sin( 2t 165) A % Calcolo delle i’’’k(t) (componenti stazionarie) i1''' i3''' e3 5 A 2R i2''' 0 Correnti risultanti i1 (t ) 2 2,5 sin( t 30) 2 3,53 sin( 2t 15) 5 i2 (t ) 2 3,53 sin( t 15) 2 7,07 sin( 2t 15) A A i3 (t ) 2 2,5 sin( t 120) 2 3,53 sin( 2t 165) 5 A Circuiti in regime sinusoidale Reti trifasi Sistemi simmetrici trifasi di grandezze sinusoidali a1 (t ) 2 A sin( t ) a2 (t ) 2 A sin( t 2 / 3) A1 Ae j A2 Ae j ( 2 / 3) a3 (t ) 2 A sin( t 4 / 3) costituiscono un sistema simmetrico diretto di grandezze sinusoidali. A3 Ae j ( 4 / 3) A1 A2 A3 0 a1 (t ) a2 (t ) a3 (t ) 0 Sistemi simmetrici trifasi di grandezze sinusoidali a1 (t ) 2 A sin( t ) a2 (t ) 2 A sin( t 2 / 3) a3 (t ) 2 A sin( t 4 / 3) costituiscono un sistema simmetrico inverso di grandezze sinusoidali. A1 A2 A3 0 a1 (t ) a2 (t ) a3 (t ) 0 A1 Ae j A2 Ae j ( 2 / 3) A3 Ae j ( 4 / 3) Generazione di una f.e.m. sinusoidale t B ndS ( B cos )S BS cos t ω S e α ω d dt BS sin t Generazione di un sistema simmetrico di f.e.m. sinusoidali e1 BS sin( t ) e2 BS sin( t 2 / 3) ω e3 BS sin( t 4 / 3) Genesi di una rete trifase Genesi di una rete trifase z ze j E1 Ee j E 2 E j ( 2 / 3) E 3 E j ( 4 / 3) E1 E j ( ) I1 e Ie j ( ) z z I E z E 2 E j ( 2 / 3) I2 e Ie j ( 2 / 3) z z E 3 E j ( 4 / 3) I3 e Ie j ( 4 / 3) z z Genesi di una rete trifase I 0 I1 I 2 I 3 0 V O'O 0 E1 V 1O E 2 V 2O 3 V O 'O E '1 V 1O ' E 1 E '3 V 3O' E 3 E 1 3 y E 3 V 3O 3 k y E 1 3 k 0 E '2 V 2 O ' E 2 Reti trifasi - Carico a stella - Denominazioni z: impedenza di fase e1, e2, e3 tensioni stellate di alimentazione e’1, e’2, e’3 tensioni stellate sul carico o di fase i1, i2, i3 correnti di linea o di fase v12, v23, v31 tensioni di linea o concatenate Sistema trifase simmetrico ed equilibrato- Carico a stella α=0 v12, v23, v31, costituiscono una terna simmet. diretta V 12 V 23 V 31 V V 2 M 3 2 E cos 30 3E V 12 3 E1e j 30 Nelle reti di distribuzione E=220 V, V=380 V. V 23 j 3 E 1 Stelle equilibrate- Circuito monofase equivalente V O 'O E '1 E1 0 E '1 z I 1 V O'O 0 E1 z I 1 E1 I1 z I 2 I 1e j 2 / 3 I 3 I 1e j 4 / 3 Circuito monofase equivalente % 3 V O 'O E 3 k y ' 1 3 y ' E k 0 1 3 E 1 V O 'O z ' I '1 E 1 z ' I '1 3 V O"O E 3 k y" 1 3 y" E 1 3 k 0 E 1 V O"O z" I "1 E 1 z" I "1 9 lati, 3 nodi I 1 I '1 I "1 I '1 E 1 / z ' Circuito monofase equivalente I k I 1e j ( k 1) 2 / 3 I "k I "1e j ( k 1) 2 / 3 I "1 E 1 / z" I 'k I '1 e j ( k 1) 2 / 3 k 2,3 % Un esempio (Esercizio 8) e1 (t ) 2100 sin( t 60) e2 (t ) 2100 sin( t 60) e3 (t ) 2100 sin( t ) f=10 Hz, R=7,32 Ω, R’=20 Ω, L=1/π Henry, C=1/(400π) Farad Circuito monofase equivalente; circuito già precedentemente analizzato nell’esercizio 2. % I1 5e j 30 I '1 3,53e j 75 I ' '1 3,53e j15 Le correnti relative alle fasi 2 e 3 si deducono sfasando tali correnti di 120° e 240° in ritardo. Sistema trifase simmetrico ed equilibrato- Carico a triangolo 3E I1 1 z J 12 i1, i2, i3 e j12, j23, j31, sono 2 terne simmetriche V 12 3 E1e j 30 1 I 1e j 30 z z 3 I 3J Carico equilibrato Confronto tra sistemi equilibrati con carico a stella e a triangolo Carico a stella Carico a triangolo ilinea=ifase ilinea≠ifase(j) vlinea ≠vfase(e) vlinea =vfase V 3E I 3J Potenza nei sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati Per il principio di conservazione delle potenze le potenze attiva e reattiva assorbite dal carico trifase sono pari alla somma di quelle erogate dai 3 generatori: P E1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 3EI cos 3VI cos Q 3EI sin 3VI sin φ è lo sfasamento tra e1 e i1 Papp P 2 Q 2 3EI 3VI Esercizio 9 e1 (t ) 2 220 sin( t ) e2 (t ) 2 220 sin( t 120) e3 (t ) 2 220 sin( t 120) R=30 Ω; ωL=58,8 Ω. Dati di targa dell’utilizzatore equilibrato trifase UT: Vn=380 V (V concatenata); Pn=5,28 kW; cosφU=0,8 (ritardo). Calcolare tutte le correnti, le P e Q complessivamente assorbite dai due carichi ed il cosφ risultante. % Trasformando a stella il triangolo di R,L e sostituendo UT con una stella equivalente: Dati del bipolo U (utilizzatore monofase): Vu=220 V, Pu=1,76 kW, cosφu=0,8 (ritardo) % Circuito monofase equivalente Questa rete è già stata analizzata nell’esercizio 3 I 1 19,48e j 49,9 A I '1 10e j 63 A I "1 10e j 36,9 A Le correnti di linea relative alle fasi 2 e 3 si deducono sfasando tali correnti di 120° e 240° in ritardo. Le correnti J nei lati del triangolo R-L sono date da J 12 j 33 1 I '1 e j 30 5,77e 3 J 31 J 12e j120 5,77e j 87 A J 23 J 12e j120 5,77e j153 A A Le P e Q sono pari a quelle già calcolate nell’esercizio 3 moltiplicate per 3: P=8,28 kW, Q=9,84 kVAr, cosφ=0,643. Esercizio 10 I dati sono quelli dell’esercizio 9. f=50 Hz. Dimensionare l’utilizzatore capacitivo UC in maniera tale che il cosφ a monte sia pari a 0,9. % P e Q a valle di UC sono già stati calcolati nell’esercizio 9. P=8,28 kW, Q= 9,84 kVAr, cosφ=0,643 φ=49,9° cosφ*=0,9 φ*=25,8° QC AD BD Q P tg* 5,83 kVAr Se UC è costituito da una stella di condensatori di capacità Cy: QC 3C y E 2 3 100 C y 2202 C y 128 μF Se UC è costituito da un triangolo di condensatori di capacità CΔ: QC 3CV 2 3 100 C 3802 C 42,8 μF Esercizio 11 e1’ , e2’ , e3’ costituiscono una terna simmetrica di tensioni sinusoidali di pulsazione ω R=30 Ω; ωL=58,8 Ω; R’=5 Ω; ωL’=5 Ω. UT (carico ohmico-induttivo) assorbe la potenza P=5,28 kW con cosφ=0,8 essendo alimentato dalla tensione: v12 (t ) 2 380 sin( t 30) Calcolare v2’3’(t) e v1a(t). % Circuito monofase equivalente V 1O E1 V 12 j 30 e 220 V 3 I dati di U e la corrente i1 sono già calcolati nell’esercizio 9 E1' E1 ( R' jL' ) I 1 357e j 2 V V 2'3' j 3 E 1' 619e j 92 V V 1a V 12 jL' I 2 V 12 jL' I 1e j120 423e j 42,5 V v2'3' (t ) 2 619 sin( t 92) V v1a (t ) 2 423sin( t 42,5) V Esercizio 12 R=30 Ω; ωL=58,8 Ω R’=5 Ω; ωL’=5 Ω Dati di targa dell’utilizzatore equilibrato trifase UT: Vn=380 V (V concatenata); Pn=5,28 kW; cosφU=0,8 (ritardo). e1’ , e2’ , e3’ costituiscono una terna simmetrica di tensioni sinusoidali di pulsazione ω. Applicando il principio di conservazione delle potenze,calcolare il loro valore efficace E affinché al carico trifase UT sia applicata la tensione nominale (concatenata) Vn % P, Q, Papp e I nella sezione A sono date da: PA=PN+3RˑJ2 IA PappA 3VN QA=PNtgφu J PappA PA QA 3VN I A 2 +3ωLˑJ2 VN R (L) 2 2 2 5,75 A PA=8,28 kW, QA=9,84 kVAr, PappA= 12,86 kVA, IA=19,49 A . PB=PA+3R’ˑIA2 QB=QA+3ωL’ ˑIA2 PappB PB QB 3EI A PB=13,95 kW PappB=20,88 kVA QB=15,53 kVAr E PappB 3I A 2 357 V 2 Rete trifase a tre fili: stella squilibrata 3 V OO' E k y k 1 3 y k Tensione di spostamento del centro stella E'k E k V OO' I k E'k y k 1 Le terne delle tensioni stellate e’k e delle correnti ik non sono simmetriche. Sistema trifase a quattro fili: stella squilibrata 1, 2, 3 conduttori di fase N conduttore di neutro V OO' 0 E'k E k V OO' E k I k E k y k 3 IN Ik 1 Sistema trifase: triangolo squilibrato J 12 V 12 z12 J 31 V 23 J 23 z23 V 31 z31 I 1 J 12 J 31 I 3 J 31 J 23 I 2 J 23 J 12 Esercizio 13 R’=5Ω; Ω;ωL’=5 ωL’=5ΩΩ R’=5 I dati delle tensioni di alimentazione e quelli dei carichi a sinistra della sezione A sono quelli della rete dell’esercizio 9. Calcolare le 3 correnti erogate dai generatori di tensione. Le correnti di linea nella sezione A costituiscono una terna simmetrica diretta e sono già state calcolate nell’esercizio 9: I 1 19,48e j 49,9 A I 2 19,48e j169,9 A I 3 19,48e j 70,1 A Le correnti erogate dai generatori sono fornite da: I '1 I 1 I 13 I '2 I 2 I '3 I 3 I 13 V 13 I 13 ( R' jL' ) V 13 3 E1e j 30 380e j 30 I 13 53,7e j 75 A I '1 71,8e j 68, 4 A I '2 19,48e j169,9 A I '3 70,6e j195,9 A % i '1 (t ) 2 71,8 sin( t 68,4) i '2 (t ) 219,48 sin( t 169,9) i'3 (t ) 2 70,6 sin( t 95,9) Esercizio 14 R’=5 R’=5Ω; Ω;ωL’=5 ωL’=5ΩΩ I dati delle tensioni di alimentazione e quelli dei carichi a sinistra della sezione A sono quelli della rete dell’esercizio 9. Calcolare le 3 correnti erogate dai generatori di tensione. % Le correnti di linea nella sezione A costituiscono una terna simmetrica diretta e sono già state calcolate nell’esercizio 9: I 1 19,48e j 49,9 A I 3 19,48e j 70,1 A I 2 19,48e j169,9 A Le correnti erogate dai generatori sono fornite da: V 32 I "3 jL' V 12 I "1 R' I 'k I k I "k I "2 I "1 I "3 V 12 3 E1e j 30 380e j 30 V V 32 3 E1e j 90 j 380 I "1 76e j 30 A I "3 76 A I "2 146,8e j165 A % I '1 81,7e j16, 4 A I '2 166e j165, 6 A I '3 84,6e j12,5 i '1 (t ) 2 81,7 sin( t 16,4) A i '2 (t ) 2166 sin( t 165,6) A i'3 (t ) 284,6 sin( t 12,5) A A Esercizio 15 R’=5 Ω; ωL’=5 Ω R’=5 Ω; ωL’=5 Ω I dati delle tensioni di alimentazione e quelli dei carichi a sinistra della sezione A sono quelli della rete dell’esercizio 9. Calcolare le 3 correnti erogate dai generatori di tensione. % Le correnti di linea nella sezione A costituiscono una terna simmetrica diretta e sono già state calcolate nell’esercizio 9: I 1 19,48e j 49,9 I 2 19,48e j169,9 Le correnti erogate dai generatori sono fornite da: 3 V OO' E k y k 1 3 y 1 I "1 k E1 R' 1 R' ( E1 V OO' ) 65,8e j18, 4 A R' I "3 I 3 19,48e j 70,1 I 'k I k I "k E2 E3 jL' R' 92,3 j104,1 1 1 jL' R' I "2 V ( E 2 V OO' ) 59e j176,6 A jL' ( E 3 V OO' ) 17,6e j101,5 A R' % I '1 83,1e j 25,5 A I '2 78,1e j179,9 I '3 35,7e j 85 A i '1 (t ) 2 83,1sin( t 25,5) A i '2 (t ) 2 78,1sin( t 179,9) A i'3 (t ) 2 35,7 sin( t 85) A A Un esempio di rete di distribuzione in BT Misura della potenza in una rete trifase simmetrica ed equilibrata P 3EI cos 3VI cos 3W cos 3W VA Q 3VA sin % Inserzione Aron W ' V 12 I 1 VI cos( 30) 3 1 VI cos VI sin 2 2 W " V 32 I 3 VI cos(30 ) VI 3 1 cos VI sin 2 2 W 'W " 3VI cos P W "W ' VI sin Q / 3 Misura della potenza in una rete trifase a 3 fili non equilibrata W ' V 12 I 1 ( E1 E 2 ) I 1 W " V 32 I 3 ( E 3 E 2 ) I 3 W 'W " ( E 1 E 2 ) I 1 ( E 3 E 2 ) I 3 E1 I 1 E 3 I 3 E 2 ( I 1 I 3 ) I 1 I 3 I 2 W 'W " E1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 P Reti in regime lentamente variabile Funzionamento transitorio Bipolo R-L in regime transitorio LKT v vR vL 0 vR Ri v Ri L vL L di dt di d R L i dt dt Bipolo R-L in regime transitorio (v(t) sinusoidale) L’integrale generale dell’equazione differenziale: v(t ) di v Ri L dt 2V sin( t ) i(t ) ket i p (t ) dove ip(t) è un integrale particolare e λ è la è radice dell’equaz. caratteristica dell’equaz. omogenea associata R+λL=0 t / T i (t ) ke R 1 L T (T=L/R costante di tempo) 2 V R (L) 2 2 sin t arctg (L / R) ke t / T Per il calcolo di k occorre imporre la condizione iniziale per t=0+ . % Bipolo R-L in regime transitorio (v(t) sinusoidale) 1 2 WL Li 2 pL dWL di Li dt dt La corrente i nell’induttanza è una variabile di stato, per cui i(0+)=i(0-). Se I0=[i(t)]t=0- imponendo i(0+)=i(0-)=I0 si ha: k I 0 i p (0) I 0 2 V R (L) 2 2 sin arctg (L / R) Se il circuito è inizialmente a riposo I0=0 % Bipolo R-L in regime transitorio (v(t) sinusoidale) α<0 v(t ) 2V sin( t ) Risposta del bipolo R-L ad un gradino di tensione v Ri L di dt L’integrale generale dell’equazione è: i (t ) ket / T i p (t ) ket / T V R Imponendo i(0+)=i(0-)=0: V k R i (t ) V 1 e t / T R T=L/R Esercizio 16 Dato il circuito R-L: R=10 Ω, L=0,1 H Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) nelle seguenti condizioni di funzionamento, da 16A) a 16H), corrispondenti a diversi andamenti e valori di e(t): 16A) Per t<0 e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, per t>0 e(t)=0. Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: E 50e j 30 z R jL 10 j10 210e j 45o % I 5 j15 e , 2 i (t ) 5 sin( t 15), i(0) i(0) I 0 5 sin( 15) 1,29 50 j 75 VL jLI e 2 vL (t ) 50 sin( t 75) Per t>0 i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e ip(t)=0 imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=I0=-1,29 e quindi: i(t ) 1,29e 100t vL (t ) L di 12,9e 100t dt % 16B) Per t<0, e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, per t>0 e(t)=E=50. Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: E 50e I j 30 5 j15 e , 2 z R jL 10 j10 210e i (t ) 5 sin( t 15), i(0) i(0) I 0 5 sin( 15) 1,29 vL (t ) 50 sin( t 75) 50 j 75 VL jLI e 2 Per t>0 j 45o i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e ip(t)=E/R=5. imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=I0-E/R=-6,29 e quindi: i(t ) 6,29e 100t 5 vL (t ) L di 62,9e 100t dt % 16C) Per t<0, e(t ) per t>0 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, e(t ) 2 50 cos(t 30), Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: E 50e I j 30 z R jL 10 j10 210e 5 j15 e , i (t ) 5 sin( t 15), 2 50 j 75 VL jLI e 2 Per t>0 j 45o i(0) i(0) I 0 5 sin( 15) 1,29 vL (t ) 50 sin( t 75) i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e i p (t ) 5 cos(t 15). Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: K=I0-ip(0)=-6,12 e quindi: % per t>0 i(t ) 6,12e 100t 5 cos(t 15) di vL (t ) L 61,2e 100t 50 sin( t 15) dt 16D) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t)=0 Per t<0 la i(t) è stazionaria: E i (t ) 5 R i(0) i(0) I 0 5 di vL (t ) L 0 dt % Per t>0 i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e ip(t)=0 imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=I0=5 e quindi: i(t ) 5e di vL (t ) L 50e 100t dt 100t 16E) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t)=-E=-50 Per t<0 la i(t) è stazionaria: E i (t ) 5 R i(0) i(0) I 0 5 di vL (t ) L 0 dt % Per t>0 i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e ip(t)=-5 imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=I0-ip(0) =10 e quindi: i(t ) 10e 100t 5 di vL (t ) L 100e 100t dt 16F) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s Per t<0 la i(t) è stazionaria: E i (t ) 5 R i(0) i(0) I 0 5 di vL (t ) L 0 dt % Per t>0 i(t ) ket / T i p (t ) dove T=L/R=0,01 s e i p (t ) 5 sin( t 15). Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: k= I0-ip(0)=6,29 e quindi i(t ) 6,29e 100t 5 sin( t 15) vL (t ) 62,9e 100t 50 cos(t 15) 16G) Per t<0 e(t)=0, per t>0 e(t ) Per t<0 i(t)=vL(t)=0 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s i(0) i(0) I 0 0 % Per t>0 i(t ) ke100t 5 sin( t 15) Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: k=-ip(0)=1,29 e quindi vL (t ) 12,9e 100t 50 cos(t 15) i(t ) 1,29e 100t 5 sin( t 15) 16H) Per t<0 e(t)=0, per t>0 e(t)=E=50 Per t<0 i(t)= vL(t)=0 Per t>0 i(t ) 5 1 e 100t vL (t ) 50e 100t Bipolo R-C in regime transitorio (v(t) sinusoidale) v(t ) 2V sin( t ) v Ri vC dvC iC dt dvC v RC vC dt L’integrale generale dell’equazione differenziale è: vc (t ) ket vcp (t ) dove vcp(t) è un integrale particolare e λ è la radice dell’equaz. caratteristica dell’equaz. omogenea associata RCλ+1=0 1 1 (T=RC costante di tempo) RC T t / T vC (t ) ke V 2 sin[ t arctg (1 / RC ) / 2] Cz % Bipolo R-C in regime transitorio (v(t) sinusoidale) Per il calcolo di k occorre imporre la condizione iniziale per t=0+ . dWC dvC pC CvC dt dt 1 2 WC CvC 2 La tensione vC è una variabile di stato, per cui vC(0+)=vC (0-). Se V0=[vC(t)]t=0- imponendo vC(0+)=vC (0-)=V0 si ha: V k V0 vCp (0) V0 2 sin[ arctg (1 / RC ) / 2] Cz La i è data da: i (t ) C dvC V k 2 sin[ t arctg (1 / RC )] C e t / T dt z T Se la capacità è inizialmente scarica V0=0. % Bipolo R-C in regime transitorio (v(t) sinusoidale) α>0 % Risposta del bipolo R-C ad un gradino di tensione v Ri vC iC dvC v RC vC dt dvC dt L’integrale generale dell’equazione è: t / T vc (t ) ke t / T vcp (t ) ke V Imponendo vc(0+)=vc(0-)=0 si ha k=-V. vC (t ) V 1 e t / T dvC V t / T i (t ) C e dt R T=RC T=RC Esercizio 17 Dato il circuito R-C: R=10 Ω, C=1 mF Determinare vC(t) e i(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) nelle seguenti condizioni di funzionamento, da 17A) a 17H), corrispondenti a diversi andamenti e valori di e(t): 17A) Per t<0 e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, per t>0 e(t)=0. Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: E 50e j 30 1 j 45o z R j 10 j10 210e C % 5 j 75 I e , 2 i (t ) 5 sin( t 75), vC (t ) 50 sin( t 15) VC j 1 50 j15 I e C 2 vC (0) vC (0) V0 50 sin( 15) 12,9 Per t>0 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=RC=0,01 s e vCp(t)=0 imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=V0=-12,9 e quindi: vC (t ) 12,9e 100t dvC i (t ) C 1,29e 100t dt % 17B) Per t<0, e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, per t>0 e(t)=E=50. Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: E 50e 1 j 45o z R j 10 j10 210e C j 30 5 j 75 I e , 2 i (t ) 5 sin( t 75), vC (t ) 50 sin( t 15) Per t>0 VC j 1 50 j15 I e C 2 vC (0) vC (0) V0 50 sin( 15) 12,9 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=L/R=0,01 s e ip(t)=E/R=5. Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=I0-E/R=-62,9 e quindi: vC (t ) 62,9e 100t 50 i (t ) C dvC 6,29e 100t dt % 17C) Per t<0, e(t ) per t>0 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s, e(t ) 2 50 cos(t 30), Per t<0 la i è sinusoidale. Ricorrendo al calcolo simbolico: 1 j 45o z R j 10 j10 210e E 50e C 1 50 j15 5 j 75 V j I e C I e , i (t ) 5 sin( t 75), C 2 j 30 2 vC (t ) 50 sin( t 15) Per t>0 vC (0) vC (0) V0 50 sin( 15) 12,9 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=L/R=0,01 s e vCp (t ) 50 cos(t 15). Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: K=V0-vCp(0)=-61,2 e quindi: % per t>0 vC (t ) 61,2e 100t 50 cos(t 15) dvC i (t ) C 6,12e 100t 5 sin( t 15) dt 17D) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t)=0 Per t<0 la i(t) è nulla: vC (t ) E 50 vC (0) vC (0) V0 50 i (t ) C dvC 0 dt % Per t>0 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=L/R=0,01 s e vCp(t)=0. Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=V0=50 e quindi: vC (t ) 50e dvC i (t ) C 5e 100t dt 100t 17E) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t)=-E=-50 Per t<0 la i(t) è nulla: vC (t ) E 50 vC (0) vC (0) V0 50 i (t ) C dvC 0 dt % Per t>0 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=L/R=0,01 s e vCp(t)=-50 imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha k=V0-vCp(0) =100 e quindi: vC (t ) 100e 100t 50 dvC i (t ) C 10e 100t dt 17F) Per t<0 e(t)=E=50, per t>0 e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s Per t<0 la i(t) è nulla: vC (t ) E 50 vC (0) vC (0) V0 50 i (t ) C dvC 0 dt % Per t>0 vC (t ) ket / T vC p (t ) dove T=L/R=0,01 s e vCp (t ) 50 sin( t 15). Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: k= V0-vCp(0)=62,9 e quindi dvC 100t i ( t ) C 6,29e 100t 5 cos(t 15) vC (t ) 62,9e 50 sin( t 15) dt 17G) Per t<0 e(t)=0, per t>0 Per t<0 i(t)=vC(t)=0 e(t ) 2 50 sin( t 30), ω=100 rad/s vC (0) vC (0) V0 0 Per 100t t>0 vC (t ) ke vCp (t ) 50 sin( t 15) vC p (t ) dove Imponendo la condizione iniziale per t=0+, si ha: k= V0-vCp(0)=12,9 e quindi vC (t ) 12,9e 100t i (t ) C 50 sin( t 15) dvC 1,29e 100t 5 cos(t 15) dt 17H) Per t<0 e(t)=0, per t>0 e(t)=E=50 Per t<0 i(t)= vC(t)=0 Per t>0 vC (t ) 50(1 e 100t ) dvC i (t ) C 5e 100t dt Esercizio 18 Dato il circuito: R=10 Ω, L=0,1 H j(t)= e(t)/R=0,1e(t) La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Sostituendo il bipolo di Norton a monte dei morsetti A e B con il bipolo equivalente di Thevenin la rete di figura si trasforma in quella dell’esercizio 16, per la quale sono stati già calcolate i(t) e vL(t) negli 8 casi analizzati. Esercizio 19 Dato il circuito: R=5 Ω, L=0,1 H j(t)= e(t)/R=0,2 e(t) La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Applicando il teorema di Thevenin al bipolo a monte dei morsetti A e B la rete di figura si trasforma in quella dell’esercizio 16, per la quale sono stati già calcolate i(t) e vL(t) negli 8 casi analizzati. Esercizio 20 Dato il circuito: R1= R2= 10 Ω, R3 = 5 Ω e’(t)=2e(t) La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Applicando il teorema di Thevenin al bipolo a monte dei morsetti A e B, questo si trasforma nel seguente bipolo: % Req= R3 + R1//R2 = 10 Ω e0 (t ) e' (t ) R2 e(t ) R1 R2 La rete assegnata si trasforma in quella dell’esercizio 16, per la quale sono stati già calcolate i(t) e vL(t) negli 8 casi analizzati. Esercizio 21 Dato il circuito: R1= R2=R4 = 20 Ω, R3 = 10 Ω e’(t)=4e(t) La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Il bipolo a monte dei morsetti A e B, può essere sostituito dal bipolo di Thevenin: % Req R1 // R2 R3 // R4 10 Ω e' (t ) e' (t ) i ' (t ) R1 R2 //( R3 R4 ) 32 i" (t ) i ' (t ) R2 e' (t ) R2 R3 R4 80 e0 (t ) R4i" (t ) e(t ) La rete assegnata si trasforma in quella dell’esercizio 16, per la quale sono stati già calcolate i(t) e vL(t) negli 8 casi analizzati. Esercizio 22 Dato il circuito: R1= R2=R4 = 20 Ω, R3 = 10 Ω e’(t)=4e(t)/3 La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Il bipolo a monte dei morsetti A e B, può essere sostituito dal bipolo di Thevenin: % e' (t ) e' (t ) R1 R3 R4 v AC (t ) 0,625e' (t ) 1 1 1 R1 R2 R3 R4 e0 (t ) e' (t ) R4i(t ) 0,75e' e(t ) e' (t ) v AC (t ) i (t ) 0,0125e' (t ) R3 R4 Req R1 // R2 R3 // R4 10 La rete assegnata si trasforma in quella dell’esercizio 16, per la quale sono stati già calcolate i(t) e vL(t) negli 8 casi analizzati. Esercizio 23 Dato il circuito: R1= R2= 10 Ω, e’(t)=2e(t), R3 = 5 Ω j(t)=e’(t)/10 La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Determinare i(t) e vL(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) negli 8 casi corrispondenti. Sostituendo il bipolo di Norton, facente capo ai morsetti C e D, con il bipolo di Thevenin ad esso equivalente, la rete si trasforma in quella dell’esercizio 20 già analizzata Esercizio 24 Dato il circuito: R1= R2=R4 = 20 Ω, R3 = 10 Ω e’(t)=4e(t)/3 j(t)=e’(t)/20 La tensione e(t) assume valori ed andamenti coincidenti con quelli definiti nell’esercizio 16, relativamente agli 8 casi da 16A) a 16H) Sostituendo il bipolo di Norton, facente capo ai morsetti C e D, con il bipolo di Thevenin ad esso equivalente, la rete si trasforma in quella dell’esercizio 22 già analizzata Esercizio 25 Negli esercizi da 18 a 24 si sostituisca l’induttanza L con la capacità C=1mF e si calcoli nell’intervallo di tempo (-∞, ∞) la tensione vC(t) ai suoi capi e la corrente i(t) da essa assorbita nelle 8 condizioni di alimentazione già considerate nell’esercizio 17 (valori ed andamenti di e(t) relativi agli 8 casi da 17A a 17H). Come negli esercizi da 18 a 24, si può sostituire il bipolo a monte dei morsetti A e B con il bipolo di Thevenin ad esso equivalente. In tal modo la rete assegnata si trasforma nella rete: Per tale rete nell’esercizio 17 sono stati già calcolate i(t) e vC(t) negli 8 casi analizzati, corrispondenti ai corrispondenti valori ed andamenti di e(t) nell’intervallo di tempo (-∞, ∞). Bipolo R-L-C in regime transitorio di v vR vL vC Ri L vC dt dvC iC dt d 2 vC dvC LC 2 RC vC v dt dt L’integrale generale è vc (t ) vct (t ) vcp (t ) dove vct è l’integrale generale dell’eq. omogenea associata (componente transitoria) e vcp è un integrale particolare dell’eq. differenziale completa. Integrale particolare dell’eq. completa Se v=V (costante) per t>0, vcp(t)=V. La corrente corrispondente è ip=0. Se v(t) è sinusoidale v(t ) 2V sin( t ) i fasori di v, i e vC sono dati da: % V Ve j I V V V e j ( ) z R j (L 1 / C ) z 1 z z R 2 L C 2 dove 1 L C arg( z) arctg R 1 V j ( / 2 ) VC j I e C Cz L’integrale particolare vcp(t) in tale caso è dato da: V vcp (t ) 2 sin( t / 2) Cz e la corrispondente corrente: i p (t ) 2 V sin( t ) z % Equazione caratteristica dell’equazione omogenea associata LC2 RC 1 0 0 1 LC 2 R 02 0 L dove è la pulsazione di risonanza del bipolo R-L-C 2L 2 2 Le radici di tale eq. sono: T 0 0 dove R T 1 1 1 1 2,1 2 02 1 1 02T 2 1 1 4Q 2 essendo T T T T 2 0T 2 0 L R 2Q dove Q è il fattore di merito del bipolo R-L-C. Se Q<1/2 le radici λ1 e λ2 sono reali e distinte e date da: 1 1 2 1 1 1 4Q T T1 1 1 2 2 1 1 4Q T T2 % e 2 t Se Q>1/2 le radici sono complesse e coniugate, date da: 1 2,1 j ' T dove 1 ' 4Q 2 1 T Se le radici λ dell’eq. caratteristica sono distinte (reali oppure complesse coniugate, Q<1/2 oppure Q>1/2) due soluzioni linearmente indipendenti dell’eq. omogenea associata sono : 1t 2 t e e e il suo integrale generale è vCt k1e 2t k 2 e 2t 1 Se Q=1/2 le radici sono reali e coincidenti e date da: 1 2 T due soluzioni linearmente indipendenti dell’eq. omogenea associata sono : e t / T t / T te % Integrale generale dell’equazione omogenea associata Se Q<1/2 l’integrale generale dell’equazione omogenea associata vCt k1e 1t k 2 e 2t k1e t / T1 k 2 e t / T2 e la corrispondente corrente: dvCt k1C t / T1 k 2C t / T2 it (t ) C e e dt T1 T2 Q<1/2 % Se Q>1/2: vCt k '1 e 1t k '2 e 2t k '1 e t / T e j 't k '2 e t / T e j 't k1e t / T sin ' t k2e t / T cos ' t e la corrispondente corrente: it C dvCt 1 k1C ( e t / T sin ' t ' e t / T cos ' t ) dt T 1 t / T k 2C ( e cos ' t ' e t / T sin ' t ) T Q>1/2 % Se Q=1/2: t / T vCt k1te k2 e t / T e la corrispondente corrente: it (t ) C dvCt k C t / T k 2C t / T k1Cet / T 1 te e dt T T Q=1/2 % Soluzioni dell’eq. differenziale completa e condizioni iniziali Per risolvere l’eq. differenziale completa occorre calcolare le costanti d’integrazione k1 e k2 imponendo le condizioni iniziali per t=0+alla vC ed alla sua derivata. La tensione sulla capacità vC e la corrente nell’induttanza i=C dvC/dt sono variabili di stato, per cui vC(0+)=vC (0-) e i(0+)=i (0-). Se V0=[vC(t)]t=0- e I0=[i(t)]t=0- il calcolo di k1 e k2 si effettua imponendo nell’integrale generale dell’equazione completa vC(0+)=V0 e i(0+)=I0. Se Q<1/2 vC k1et / T1 k2et / T2 vCp (t ) dvC k1C t / T1 k 2C t / T2 i C e e i p (t ) dt T1 T2 % k1 k 2 V0 vcp (0) k1C k 2C I 0 i p (0) T1 T2 Q<1/2 Risposta al gradino di ampiezza V (V0=0, I0=0, vCp(0)=V, ip(0)=0) VT1 k1 T1 T2 k2 VT2 T1 T2 Se Q=1/2 vC k1te t / T k2e t / T vCp (t ) dvC k1C t / T k2C t / T t / T i C k1Ce te e i p (t ) dt T T % k 2 V0 vCp (0) k1C k 2C I 0 i p ( 0) T Risposta al gradino di ampiezza V [V0=0, I0=0, vCp(0)=V, ip(0)=0] V k1 T k2 V Se Q>1/2 vC k1et / T sin ' t k2et / T cos ' t vCp (t ) dvC 1 t / T i C k1C ( e sin ' t ' e t / T cos ' t ) dt T 1 k 2C ( e t / T cos ' t ' e t / T sin ' t ) i p (t ) T k 2 V0 vCp (0) k1C ' k 2C I 0 i p (0) T % Risposta al gradino di ampiezza V [V0=0, I0=0, vCp(0)=V, ip(0)=0] V k1 'T k2 V Q>1/2 Inserzione di v(t) sinusoidale in un circuito inizialmente a riposo (V0=0, I0=0) k 2 vCp (0) 1 vCp (0)C k1 i ( 0 ) p C ' T k1C ' vCp ( 0)C T i p (0) dove V vcp (0) 2 sin( / 2) Cz V i p (0) 2 sin( ) z %