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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​20 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Analisi nodaleMedia
−+Vs​ = 6 VIx​Is​1 AAR1​5 ΩR2​4 ΩB

Il generatore di tensione Vₛ tra A e B ha il morsetto + in B, quindi impone VB − VA = Vₛ. Usa il metodo dei nodi con un supernodo per trovare la corrente Ix nel generatore di tensione, da A a B come indicato dalla freccia.

Is = 1 AVs = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 4 Ω
Ix = A
4.Analisi nodaleDifficile
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

Usa l’analisi nodale per trovare la corrente IR2 in R2 nel verso della freccia.

V1 = 12 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 Ω
IR2 = A
5.Thévenin e NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAab

Trova la corrente di Norton IN: la corrente che scorre da a a b se i morsetti sono cortocircuitati.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
6.Thévenin e NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​3 ABRL​8 ΩIL​

Un carico RL = 8 Ω è collegato tra a–b. Usa un equivalente di Thévenin per trovare la potenza PL fornita al carico.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩRL = 8 Ω
PL = W
7.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 5 ΩL68 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 20 VR = 5 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
8.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 15 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 13,5 V, esattamente 100 ms dopo l’avvio. Con C = 2,2 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 15 VVth = 13,5 VT = 100 msC = 2,2 µF
R = kΩ
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 50 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V60 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 60 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V
11.Potenza AC e fattore di potenzaMedia
P = 9 kWQSφ

Un motore monofase assorbe 9 kW con un fattore di potenza di 0,9 induttivo da un’alimentazione da 230 V. Trova la corrente di linea I.

P = 9 kWpf = 0,9V = 230 V
I = A
12.Potenza AC e fattore di potenzaDifficile
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Un carico monofase assorbe 45 kW con un fattore di potenza di 0,65 induttivo da un’alimentazione da 400 V, 60 Hz. Un condensatore collegato in parallelo porta il fattore di potenza a 0,98. Trova la nuova corrente di linea Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
13.Sistemi trifaseMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 93%cos φ = 0,88

Un motore asincrono trifase eroga a pieno carico una potenza meccanica di 55 kW. A questo carico il suo rendimento è del 93% e il suo fattore di potenza è 0,88 in ritardo. La rete ha una tensione concatenata di 480 V. Trova la corrente di linea IL.

Pout = 55 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
14.Sistemi trifaseDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Un carico trifase equilibrato assorbe 200 kW con un fattore di potenza di 0,72 in ritardo da una rete a 400 V (tensione concatenata) e 50 Hz. Una batteria trifase di condensatori in parallelo al carico deve portare il fattore di potenza complessivo a 0,9 in ritardo. La potenza attiva resta invariata. I condensatori sono collegati a stella. Trova la capacità Cph di ciascun condensatore in µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TrasformatoriMedia
8 ΩN1​N2​288 Ω

Un amplificatore con resistenza di uscita di 288 Ω alimenta un altoparlante da 8 Ω tramite un trasformatore ideale. Per il massimo trasferimento di potenza l’altoparlante deve apparire come 288 Ω visto dall’amplificatore. Trova il rapporto spire a = N₁/N₂.

Rs = 288 ΩRL = 8 Ω
a =
16.TrasformatoriDifficile
250 kVA

Un trasformatore monofase da 250 kVA ha perdite nel ferro di 2000 W e perdite nel rame di 5000 W al carico nominale. A quale carico Sη,max, in kVA, il suo rendimento è massimo?

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 5000 W
Sη,max = kVA

3Soluzioni

1.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,714 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 10 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 5 + 2,609 = 7,609 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 = 15/7,609 = 1,971 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 = 15 − 1,971·5 = 5,143 V
IR2 = VA/R2 = 5,143/3 = 1,714 A

Risposta

IR2 = 1,714 A
2.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 7,903 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​ = 2 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​20 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 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 7,619 Ω
R3 + 7,619 = 9,619 Ω
R2 ∥ 9,619 = 4,903 Ω
Req = R1 + 4,903 = 3 + 4,903 = 7,903 Ω

Risposta

Req = 7,903 Ω
3.Analisi nodale

Risposta: Ix = 1,222 A

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.

Forma un supernodo

Il generatore di tensione tra A e B porta una corrente incognita, quindi non si può scrivere la LKC in A o in B separatamente. Racchiudi A, B e il generatore in un unico supernodo: la corrente entrante è uguale a quella uscente.

VB = VA + Vs = VA + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is

Risolvi

VA/5 + (VA + 6)/4 = 1
VA = (1 − 6/4)/(1/5 + 1/4) = −1,111 V
VB = −1,111 + 6 = 4,889 V

Corrente nel generatore di tensione

Tutto ciò che attraversa il generatore da A a B esce dal nodo B attraverso R₂.

Ix = VB/R2 = 4,889/4 = 1,222 A

Risposta

Ix = 1,222 A

Un risultato negativo significa che la corrente reale scorre contro la freccia.

4.Analisi nodale

Risposta: IR2 = −0,05993 A

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​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

Imposta i nodi

La massa è il filo in basso. Le tensioni di nodo note vengono direttamente dai generatori (V1 = 12 V, V2 = 24 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/15 + (VA − 12)/25 + (VA − VB)/25 = 0
0,1467·VA − 0,04·VB = 0,48

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/5 + (VB − VA)/25 + (VB − 24)/20 = 0,5
−0,04·VA + 0,29·VB = 1,7

Risolvi

Δ = (0,1467)(0,29) − (−0,04)(−0,04) = 0,04093
VA = Δ1/Δ = 0,2072/0,04093 = 5,062 V
VB = Δ2/Δ = 0,2685/0,04093 = 6,56 V

Risposta

IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,062 − 6,56)/25 = −0,05993 A
5.Thévenin e Norton

Risposta: IN = 0,2609 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​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​10 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 5 = 10,45 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 6·10/(12+10) = 2,727 V
IN​0,2609 ARth​10,45 Ωab

Equivalente di Norton

Un generatore di Norton è lo stesso circuito visto come un generatore di corrente in parallelo con R_th. La sua corrente è la corrente di cortocircuito tra a–b.

IN = Vth/Rth = 2,727/10,45 = 0,2609 A
6.Thévenin e Norton

Risposta: PL = 48,48 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​ = 10 ΩR3​ = 30 ΩCORTOR2​3 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 30 = 32,31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​3 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) = 2,308 + 3·2,308 = 9,231 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,231 + 3·30 = 99,23 V
Rth​ = 32,31 Ω+−Vth​99,23 VRL​8 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) = 99,23/(32,31 + 8) = 2,462 A
PL = IL²·RL = 2,462²·8 = 48,48 W
7.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 544 mJ

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 e corrente finale

Molto tempo dopo la chiusura dell’interruttore l’induttore si comporta come un cortocircuito, quindi la corrente finale dipende solo da R.

τ = L/R = 68 mH / 5 Ω = 13,6 ms
i(∞) = Vs/R = 20/5 = 4 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·4² = 544 mJ

Risposta

W(∞) = 544 mJ
8.Transitori RC e RL

Risposta: R = 19,74 kΩ

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

13,5 = 15·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(15/(15 − 13,5))
τ = 100/2,303 = 43,43 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 43,43/2,2 = 19,74 kΩ

Risposta

R = 19,74 kΩ
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −66,56 °

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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−138,4)²) = 150,8 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−138,4/60) = −66,56°

Risposta

φ = −66,56°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 6,364 V

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (30,02)²) = 50,01 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/50,01 = 0,2399 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,2399·26,53 = 6,364 V

Risposta

VC = 6,364 V
11.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: I = 43,48 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) = 9000/(230·0,9) = 43,48 A

Risposta

I = 43,48 A
12.Potenza AC e fattore di potenza

Risposta: Inew = 114,8 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 = 45·tan(49,46°) = 52,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 43,47 kvar

Nuova corrente di linea

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0,98) = 114,8 A

Risposta

Inew = 114,8 A
13.Sistemi trifase

Risposta: IL = 80,83 A

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.

Potenza elettrica assorbita

Pin = Pout/η = 55/0,93 = 59,14 kW

Corrente di linea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59140/(√3·480·0,88) = 80,83 A

Risposta

IL = 80,83 A
14.Sistemi trifase

Risposta: Cph = 1908 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potenza reattiva dei condensatori

QC = Q1 − Q2 = 95,91 kvar

Capacità per fase

In una batteria a stella ogni condensatore è collegato tra una linea e il centro stella.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31969/(314,2·230,9²) = 1908 µF

Risposta

Cph = 1908 µF
15.Trasformatori

Risposta: a = 6

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.

Adatta il carico riportato

a²·8 = 288
a = √(288/8) = √36 = 6

Risposta

a = 6
16.Trasformatori

Risposta: Sη,max = 158,1 kVA

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.

Perdite nel rame uguali alle perdite nel ferro

x²·5000 = 2000 → x = √(2000/5000) = 0,6325

Carico al rendimento massimo

Sη,max = x·S = 0,6325·250 = 158,1 kVA

Risposta

Sη,max = 158,1 kVA

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