Fondamenti di elettrotecnica: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 16 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie
Req = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Due in parallelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Legge di Ohm
V = I·R
Potenza
P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

  1. Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
  2. Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
  4. Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Analisi nodale

Legge di Kirchhoff delle correnti
ΣIin = ΣIout
Corrente di ramo
I = (Va − Vb)/R
Nodo di riferimento
Vground = 0

Metodo

  1. Scegli un nodo di riferimento (massa) e indica le tensioni degli altri nodi.
  2. Scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito: le correnti uscenti attraverso i rami sono uguali a quelle entranti.
  3. Esprimi ogni corrente di ramo come (Va − Vb)/R.
  4. Risolvi il sistema di equazioni, poi trova le correnti che ti servono.

Thévenin e Norton

Tensione di Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistenza di Thévenin
Rth: tutti i generatori spenti, vista da a–b
Corrente di Norton
IN = Vth/Rth
Corrente nel carico
IL = Vth/(Rth + RL)
Massimo trasferimento di potenza
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metodo

  1. Togli il carico e indica i due morsetti a e b.
  2. Trova la tensione a vuoto tra a e b: questa è Vth.
  3. Spegni tutti i generatori indipendenti e trova la resistenza vista da a–b: questa è Rth.
  4. Ricollega il carico al circuito equivalente: Vth in serie con Rth.
  5. Per l’equivalente di Norton, converti: IN = Vth/Rth, con RN = Rth in parallelo.

Transitori RC e RL

Costante di tempo
τ = RC | τ = L/R
Risposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensatore in continua
circuito aperto; vC non può variare a salto
Induttore in continua
cortocircuito; iL non può variare a salto
A regime
t ≈ 5τ

Metodo

  1. Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
  2. Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
  3. Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impedenza AC e fasori

Impedenze
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsazione
ω = 2πf
Modulo e fase
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Legge di Ohm con i fasori
V = I·Z

Metodo

  1. Converti la frequenza: ω = 2πf.
  2. Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
  4. Trova il modulo |Z| = √(R² + X²) e l’angolo φ = atan(X/R), poi usa la legge di Ohm con i fasori.

Potenza AC e fattore di potenza

Potenza attiva
P = V·I·cos φ
Potenza reattiva
Q = V·I·sin φ
Potenza apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fattore di potenza
pf = cos φ = P/S
Condensatore di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Sistemi trifase

Collegamento a stella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Collegamento a triangolo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potenza attiva totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potenza apparente e reattiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensatori di rifasamento
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensione su ciascun condensatore
Δ: VL Y: VL/√3
Potenza assorbita dal motore
Pin = Pout/η

Trasformatori

Rapporto spire
a = N1/N2 = V1/V2
Rapporto delle correnti
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corrente nominale
I = S/V
Impedenza riportata
Z1′ = a²·ZL
Perdite nel rame a carico parziale
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimento massimo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Esercizi

1.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​5 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Analisi nodaleMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​5 A

Usa l’analisi nodale per trovare la tensione di nodo VA (misurata rispetto a massa).

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.Analisi nodaleDifficile
R1​ = 12 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​5 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A−+V2​9 V

Usa l’analisi nodale per trovare la tensione di nodo VA (misurata rispetto a massa).

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 Ω
VA = V
5.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩARL​2 ΩIL​B

Un carico RL = 2 Ω è collegato tra a–b. Sostituisci il resto del circuito con il suo equivalente di Thévenin e trova la corrente nel carico IL.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩRL = 2 Ω
IL = A
6.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​3 ABRL​12 ΩIL​

Un carico RL = 12 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
PL = W
7.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 kΩC10 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la tensione del condensatore vC in t = 60 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 10 µFt = 60 ms
vC = V
8.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC?+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 12 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 7,2 V, esattamente 200 ms dopo l’avvio. Con R = 2,2 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 200 msR = 2,2 kΩ
C = µF
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V500 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 1 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 1 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V1000 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 1000 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 1 µF
f0 = Hz
11.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 6 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 6 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V. Trova la corrente di linea I.

P = 6 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
12.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 50 kW con un fattore di potenza di 0,6 induttivo da un’alimentazione da 240 V, 50 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,9. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 50 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 208 VNZ = 9 + j12 Ωper fase

Un carico equilibrato a stella con un’impedenza di 9 + j12 Ω per fase è collegato a una rete trifase equilibrata con una tensione concatenata di 208 V. Trova la potenza attiva totale P assorbita dal carico in kW.

VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω per fase
P = kW
14.Sistemi trifaseDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 300 kW con un fattore di potenza di 0,75 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 60 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,95 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a triangolo. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 300 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TrasformatoriMedia
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

Un trasformatore monofase da 250 kVA, 4800/240 V funziona al carico nominale. Consideralo ideale. Trova la corrente IHV nell’avvolgimento di alta tensione.

S = 250 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
16.TrasformatoriDifficile
pf 0,85250 kVA, η = 97,5%

Un trasformatore monofase da 250 kVA ha perdite nel ferro di 2000 W. Al carico nominale e con un fattore di potenza di 0,85 in ritardo il suo rendimento è del 97,5%. Trova le perdite nel rame a pieno carico Pcu,fl in watt.

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,85η = 97,5%
Pcu,fl = W

3Soluzioni

1.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 13,24 Ω

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R3 + R4 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 20·21/(20+21) = 10,24 Ω
Req = R1 + 10,24 = 3 + 10,24 = 13,24 Ω

Risposta

Req = 13,24 Ω
2.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,4727 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​5 Ω

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R5 + R6 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 10,85 Ω
R3 + 10,85 = 15,85 Ω
R2 ∥ 15,85 = 9,701 Ω
Req = R1 + 9,701 = 10 + 9,701 = 19,7 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 24/19,7 = 1,218 A

Corrente in R₂

Sottrai la caduta su R₁ per ottenere la tensione al nodo A, che è la tensione ai capi di R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,218·10 = 11,82 V
IR2 = VA/R2 = 11,82/25 = 0,4727 A

Risposta

IR2 = 0,4727 A
3.Analisi nodale

Risposta: VA = 16,47 V

Analisi nodale: scegli un nodo di riferimento, assegna un nome alle tensioni di nodo incognite, scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito usando la legge di Ohm (I = ΔV/R) e risolvi le equazioni.

R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​5 A

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 18 V). Incognite: VA, VB.

LKC al nodo A

Le correnti che escono da A attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in A dai generatori.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,55·VA − 0,25·VB = 4,5

LKC al nodo B

Le correnti che escono da B attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in B dai generatori.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,5·VB = 5

Risolvi

Δ = (0,55)(0,5) − (−0,25)(−0,25) = 0,2125
VA = Δ1/Δ = 3,5/0,2125 = 16,47 V
VB = Δ2/Δ = 3,875/0,2125 = 18,24 V

Risposta

VA = 16,47 V
4.Analisi nodale

Risposta: VA = 8,108 V

Analisi nodale: scegli un nodo di riferimento, assegna un nome alle tensioni di nodo incognite, scrivi la legge di Kirchhoff delle correnti in ogni nodo incognito usando la legge di Ohm (I = ΔV/R) e risolvi le equazioni.

R1​ = 12 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​5 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A−+V2​9 V

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 30 V, V2 = −9 V). Incognite: VA, VB.

LKC al nodo A

Le correnti che escono da A attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in A dai generatori.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/5 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,4083·VA − 0,125·VB = 2,5

LKC al nodo B

Le correnti che escono da B attraverso i resistori sono uguali alla corrente immessa in B dai generatori.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/4 + (VB − VA)/8 + (VB − (−9))/6 = 4
−0,125·VA + 0,5417·VB = 2,5

Risolvi

Δ = (0,4083)(0,5417) − (−0,125)(−0,125) = 0,2056
VA = Δ1/Δ = 1,667/0,2056 = 8,108 V
VB = Δ2/Δ = 1,333/0,2056 = 6,486 V

Risposta

VA = 8,108 V
5.Thévenin e Norton

Risposta: IL = 0,2459 A

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​5 ΩAabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, in R₃ non scorre corrente, quindi non c’è caduta su di essa e V_b = V_A. R₁ e R₂ formano un partitore di tensione.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·5/(10+5) = 5 V
Rth​ = 18,33 Ω+−Vth​5 VRL​2 ΩIL​

Collega il carico all’equivalente di Thévenin

Il generatore di Thévenin e R_th in serie si comportano esattamente come il circuito originale ai morsetti a–b, quindi il carico vede un semplice anello in serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 5/(18,33 + 2) = 0,2459 A
6.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 9,546 W

Teorema di Thévenin: ogni rete lineare a due morsetti si comporta come un unico generatore di tensione Vth in serie con una resistenza Rth. Il teorema di Norton dà la stessa rete come generatore di corrente IN = Vth/Rth in parallelo con Rth.

R1​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​2 ΩAAPERTOBabRth​

Trova Rth con tutti i generatori spenti

Sostituisci i generatori di tensione con cortocircuiti e quelli di corrente con circuiti aperti, poi guarda il circuito da a–b.

R1 ∥ R2 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 3 = 4,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​3 ABab+−Vth​

Trova Vth, la tensione a vuoto

Con a–b aperti, l’unico percorso per Iₛ è attraverso R₃ nel nodo A. Trova V_A per sovrapposizione di V₁ e Iₛ, poi aggiungi la caduta su R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 0,5455 + 3·1,818 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 3·3 = 15 V
Rth​ = 4,818 Ω+−Vth​15 VRL​12 ΩIL​

Collega il carico all’equivalente di Thévenin

Il generatore di Thévenin e R_th in serie si comportano esattamente come il circuito originale ai morsetti a–b, quindi il carico vede un semplice anello in serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 15/(4,818 + 12) = 0,8919 A
PL = IL²·RL = 0,8919²·12 = 9,546 W
7.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 2,437 V

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 9·4,7/(10 + 4,7) = 2,878 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 3,197·10 = 31,97 ms

Curva di carica

vC(t) = 2,878·(1 − e−60/31,97) = 2,437 V

Risposta

vC = 2,437 V
8.Transitori RC e RL

Risposta: C = 99,21 µF

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Costante di tempo richiesta

7,2 = 12·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 200/0,9163 = 218,3 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 218,3/2,2 = 99,21 µF

Risposta

C = 99,21 µF
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3863 A

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,2 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (310)²) = 310,7 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/310,7 = 0,3863 A

Risposta

I = 0,3863 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 711,8 Hz

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·1·10⁻⁶)) = 711,8 Hz

Risposta

f0 = 711,8 Hz
11.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 41,67 A

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Corrente di linea

Solo la parte attiva della potenza compie lavoro, quindi dividi per il fattore di potenza.

I = P/(V·cos φ) = 6000/(240·0,6) = 41,67 A

Risposta

I = 41,67 A
12.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 231,5 A

Potenza in AC: la potenza apparente S = V·I (VA) si divide in potenza attiva P = S·cos φ (W), che compie lavoro utile, e potenza reattiva Q = S·sin φ (var), che oscilla tra generatore e carico. Il fattore di potenza è cos φ. Un condensatore in parallelo fornisce potenza reattiva localmente, quindi la corrente di linea diminuisce a parità di potenza attiva.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva P non cambia; cambia solo la potenza reattiva prelevata dalla rete.

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(53,13°) = 66,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(25,84°) = 24,22 kvar
QC = Q1 − Q2 = 42,45 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 50000/(240·0,9) = 231,5 A

Risposta

Inew = 231,5 A
13.Sistemi trifase

Risposta: P = 1,731 kW

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tensione di fase

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Corrente di fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 120,1/15 = 8,006 A

Potenza attiva totale

Solo la parte resistiva di ogni impedenza assorbe potenza attiva.

P = 3·Iph²·R = 3·8,006²·9 = 1,731 kW

Risposta

P = 1,731 kW

Verifica: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dà la stessa potenza.

14.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 917,2 µF

Sistemi trifase equilibrati: in un collegamento a stella (Y) la tensione concatenata è √3 volte la tensione di fase, VL = √3·Vph, e la corrente di linea è uguale alla corrente di fase. In un collegamento a triangolo (Δ) la tensione concatenata è uguale alla tensione di fase e la corrente di linea è √3 volte la corrente di fase, IL = √3·Iph. La potenza totale è tre volte la potenza di una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Rifasamento: i condensatori forniscono localmente potenza reattiva, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Ciascuno dei tre condensatori fornisce QC/3 = V²·ω·C, dove V è la tensione ai capi di quel condensatore: VL in una batteria a triangolo, VL/√3 in una batteria a stella.

Potenza reattiva prima e dopo

La potenza attiva non cambia, quindi ogni fattore di potenza determina la potenza reattiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 300·tan(acos 0,75) = 300·0,8819 = 264,6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 166 kvar

Capacità per fase

In una batteria a triangolo ogni condensatore è collegato tra due linee.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 55323/(377·400²) = 917,2 µF

Risposta

Cph = 917,2 µF
15.Trasformatori

Risposta: IHV = 52,08 A

Trasformatore ideale: le tensioni stanno nel rapporto delle spire e le correnti nel rapporto inverso: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, quindi la potenza in ingresso è uguale a quella in uscita, V₁·I₁ = V₂·I₂. Un’impedenza di carico Z sul secondario appare come a²·Z vista dal primario.

Corrente nominale

Entrambi gli avvolgimenti trasportano la stessa potenza apparente.

IHV = S/V = 250000/4800 = 52,08 A

Risposta

IHV = 52,08 A
16.Trasformatori

Risposta: Pcu,fl = 3449 W

Perdite del trasformatore: le perdite nel ferro (isteresi e correnti parassite) dipendono dalla tensione e sono le stesse a qualsiasi carico. Le perdite nel rame degli avvolgimenti variano con il quadrato della corrente, quindi a una frazione x del carico nominale valgono x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. Il rendimento è massimo al carico per cui le perdite nel rame sono uguali alle perdite nel ferro.

Potenza resa e assorbita

Pout = 250·0,85 = 212,5 kW
Pin = 212500/0,975 = 217949 W

Perdite totali e nel rame

Ploss = 217949 − 212500 = 5449 W
Pcu,fl = 5449 − 2000 = 3449 W

Risposta

Pcu,fl = 3449 W

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