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TECNICHE DI GESTIONE ,CONDUZIONE DI MACCHINE ED IMPIANTI

APPUNTI - CLASSI QUARTE Gli appunti sono da integrare con gli argomenti e/o esercizi svolti nelle lezioni.

MODULO 3- Circuiti elettrici- Impianti elettrici PREFISSI DELLE POTENZE PREFISSO SIMBOLO UNITA’ giga G 1 miliardo=1.000.000.000= 10^9 mega M 1 milione=1.000.000=10^6 kilo K mille=1000 =10^3 etto h cento =100=10^2 deca da dieci=10 deci d 1 decimo=0,1=10^-1 centi c 1 centesimo=0,01=10^-2 milli m 1 millesimo=0,001=10^-3 ENERGIA ELETTRICA Le macchine utensili utilizzate nell’industria calzaturiera e tessile utilizzano come fonte di energia l’energia elettrica. Vantaggi:

• È un’energia comoda e facile da usare • È un’energia pulita • Si può trasportare con relativa facilità • Può essere trasformata facilmente in altre forme di energia

GRANDEZZE ELETTRICHE FONDAMENTALI CORRENTE ELETTRICA ( simbolo I ) La corrente elettrica è per definizione la quantità di carica q che attraversa la sezione del conduttore nell’intervallo di tempo t .

qI corrente t

la corrente I è dovuta ad un flusso ordinato di cariche elettriche all’interno di un filo conduttore ( esempio filo di rame) che vanno dal potenziale – ( polo negativo) verso il potenziale + (polo positivo) .

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Solamente i materiali conduttori( rame,ferro, alluminio) permettono il passaggio di corrente mentre i materiali isolanti( plastica, vetro, polistirolo) no. L'unità di misura della corrente è l'Ampere (simbolo A). Lo strumento per misurare la corrente si chiama amperometro. Corrente continua (viene indicata con DC - direct current). Una corrente si dice continua quando la sua intensità è costante (non varia) nel tempo. Esempio pile e batterie forniscono una corrente continua.

Corrente alternata (viene indicata con AC – alternating current) La corrente alternata invece ha un andamento sinusoidale e l’intensità varia nel tempo.

∆V

I

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T=periodo , è la distanza tra due valori massimi della corrente, si misura in secondi

1f frequenza , si misura in Hertz , Hz T

11 Hertz 1 sec

La corrente che arriva dalla rete elettrica all’interno delle case e delle industrie è alternata perchè più facilmente trasportabile su lunghe distanze. In Italia la tensione alle prese di corrente delle case è di 220/230 Volt e frequenza 50/60 Hertz . La corrente industriale è invece di 380 Volt, 50/60 Hertz. RESISTENZA ELETTRICA (simbolo R) o resistore E’ la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente; si misura in ohm (simbolo Ω) e dipende dal materiale, dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore.

L è la lunghezza del conduttore S è l'area della sezione ρ è la resistività elettrica che dipende dal materiale ( minore è la resistività migliore è la conducibilità del materiale). I cavi elettrici utilizzano il rame.

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La resistenza è un filo di materiale conduttore ( esempio rame) percorso da corrente. Quando la resistenza è percorsa da corrente questa si scalda. (esempi di resistenze: il filo di una lampadina oppure la resistenza del phon o del ferro da stiro).

Resistenza reale ( i colori delle bande indicano il valore in Ohm della resistenza )

Simbolo elettrico

Considerando un filo di rame più è alto il valore della corrente maggiore deve essere il diametro del filo ( maggiore è la sezione S) per evitare che si bruci. I fili più grossi, hanno una resistenza minore e lasciano passare una corrente maggiore. GENERATORE ELETTRICO Si dice generatore elettrico quel dispositivo capace di generare corrente elettrica. Generatori di corrente continua ( batterie, pile). Generatori di corrente alternata ( alternatori ). TENSIONE ELETTRICA ( simbolo V oppure ∆V) La tensione elettrica V ( o differenza di potenziale ∆V) è la causa del moto delle cariche elettriche e quindi della corrente. Si misura in Volt (simbolo V). Generatori di tensione continua sono le pile e le batterie. LEGGI DI OHM Per ogni conduttore o ramo di circuito percorso da corrente valgono le seguenti leggi di Ohm

V VV= V=R*I formule inverse R= , I=I R

∆V è la tensione o differenza di potenziale tra i punti A e B.

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POTENZA ELETTRICA ( simbolo Pe) La potenza elettrica è data dal prodotto dell’intensità della corrente I che attraversa il filamento per la tensione V di alimentazione. Pe=V*I Si misura in Watt ( simbolo W) , 1 Watt = 1 Volt * 1 Ampere La potenza elettrica assorbita dalla lampadina è : Pe=V*I= 220 Volt* 0,1 Ampere=22 W Tutte le macchine ( compreso gli elettrodomestici) che per funzionare utilizzano corrente riportano sulla targhetta di conformità CE i valori di potenza assorbita e corrente di funzionamento. Dalla legge di Ohm si ha che V=R*I quindi : Pe=V*I=R*I*I=R*I^2 ( potenza dissipata per effetto Joule) Ogni apparecchio elettrico, quando funziona, assorbe una certa potenza.

trasformatore

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ENERGIA ELETTRICA (simbolo E) L’energia elettrica consumata/assorbita da un apparecchio è data dal prodotto della potenza elettrica moltiplicata per il tempo t di funzionamento (in ore , h ) della macchina. E=Pe*t = V*I*t Si misura in Watt*ora (simbolo Wh) oppure KWatt*ora ( simbolo KWh) oppure in Joule (simbolo J) , KiloJoule (KJ) , MegaJoule (MJ) .

In genere la fornitura di energia Enel per le abitazioni non supera i 3KWh ( Kilowattora). 1 KWh= 1000 Wh

Il costo dell’energia elettrica è circa di 0,05 euro/ KWh ( 0,05 euro per ogni Kilowatt*ora di energia consumata). leggendo sul manuale o sulla targhetta CE della lavatrice la potenza che assorbe e misurando il suo tempo di ciclo ricavo il costo per ogni lavaggio .

1 Joule1 watt=1sec

Conversioni 1 ora = 60 min=3600 sec 1 Wh=3600 J , 1KWh=3,6 MJ Per energie e potenze elevate si usano i Kilo e i Mega. 1Kilo =1000 mille , 1 KJ ( KiloJoule)=1000 J , 1kW (kiloWatt)= 1000 W 1Mega =1000000 un milione , 1MJ ( MegaJoule) =10^6 J , 1MW ( MegaWatt) =10^6 W Esempio Quanta energia elettrica consuma una lampadina alimentata con V=220 v, I=0,5 A che funziona per un tempo t di 2,5 ore ( simbolo ore = h )? t=2,5 h E=Pe*t = V*I*t= 220*0,5*2,5=275 Watt*ora , Wh

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1 ora= 60 min se la lampadina funzionasse per 15 minuti? Bisogna convertire i minuti in ore attraverso una proporzione. 1 ora/60 min = x ore/ 15 min quindi x= 15/60=0,25 ore E=Pe*t = V*I*t= 220*0,5*0,25=27, 5 Watt*ora , Wh ENERGIA MECCANICA (simbolo Em) Un corpo di una certa massa che si muove possiede energia meccanica e la sua energia meccanica è proporzionale alla velocità con cui si muove. Se il corpo ruota attorno ad un asse (esempio pale del ventilatore ) la velocità è di rotazione ( simbolo ω) intorno ad un asse .

Se il corpo trasla con un movimento rettilineo ( esempio carrello ) in questo caso la velocità è di traslazione ( simbolo V).

Si misura in Joule, J. CALORE (simbolo Q) Il calore sviluppato ( ad esempio da una resistenza percorsa da corrente ) è una forma di energia e si misura in calorie ( simbolo cal ) o Kilocalorie (simbolo Kcal ) oppure in Joule . 1cal = 4,184 J La formula è quella utilizzata per l’energia elettrica E= V*I*t. Q=V*I*t =E

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Quindi l’energia elettrica può essere trasformata in calore ( esempio forno, phon, tostapane). Infatti un filo conduttore (cioè una resistenza elettrica) percorso da corrente si scalda. Quindi le forme di energia:

calore energia elettrica energia meccanica

possono essere trasformate da una forma all’altra. esempi :

da energia elettrica a calore (qualsiasi resistenza percorsa da corrente, esempio :forno, phon, tostapane) da energia elettrica a energia meccanica (trasformo l’energia elettrica in un

movimento esempio: treno, bici elettrica, ventilatore) da calore a energia elettrica (esempio i pannelli fotovoltaici che assorbono

calore per irraggiamento dal sole e la trasformano in elettricità) Anche l’uomo quindi funziona come una macchina , assorbe dal cibo calorie (calore) e le trasforma in energia meccanica per muoversi. Per trasformare l’energia meccanica in elettricità e viceversa occorre utilizzare due dispositivi : l’alternatore o il motore elettrico. IL MOTORE ELETTRICO Il motore elettrico è una macchina che trasforma l’ energia elettrica in energia meccanica ( rotazione dell’albero motore). Tutte le macchine utensili utilizzate nell’industria sono comandate e si muovono tramite motori elettrici.

motore elettrico energia meccanica

energia elettrica

IN USCITA IN INGRESSO

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Il motore elettrico è costituito da una parte fissa lo statore (un magnete N-S) e da un rotore collegato all’albero del motore elettrico . Il rotore è composto da spire. Se le spire vengono collegate ad un generatore di corrente ( esempio una batteria) si creano su queste spire delle forze F che le fanno ruotare e quindi fanno ruotare l’albero del motore elettrico. L’ALTERNATORE L’ alternatore è una macchina che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.

alternatore energia elettrica E

energia meccanica

IN INGRESSO IN USCITA

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L’ alternatore è costituito da una spira ( o più spire avvolte) che viene fatta ruotare all’interno di un campo magnetico. Con la rotazione si genera sulle spire una corrente alternata indotta ( che fa accendere la lampadina) .Esempio di alternatore è la dinamo della bicicletta . La ruota della bicicletta fa ruotare ( energia meccanica ) le spire della dinamo , l’energia meccanica viene trasformata dall’alternatore in corrente elettrica che accende la lampadina della bicicletta. Anche l’alternatore presente in ogni automobile trasforma una parte dell’energia cinetica dell’albero motore in energia elettrica, che viene immagazzinata nella batteria. CENTRALI ELETTRICHE La tensione alternata che giunge nelle case e nelle industre attraverso la rete elettrica è prodotta nelle centrali elettriche. Una centrale elettrica è un impianto che trasforma altre forme di energia primaria in energia elettrica : • centrali idroelettriche: utilizzano come energia primaria la velocità dell’acqua immagazzinata in bacini posti ad alta quota; • centrali termoelettriche: utilizzano l’energia prodotta dalla combustione ( calore) di vari tipi di combustibili (gasolio, metano, carbone); • centrali nucleari: utilizzano l’energia liberata dalla fissione nucleare; • centrali geotermiche: utilizzano il calore prelevato direttamente dal sottosuolo; • centrali fotovoltaiche : utilizzano l’energia solare; • centrali eoliche; Tutte queste centrali (tranne quelle fotovoltaiche) hanno una struttura simile trasformano l’energia primaria in energia meccanica tramite la rotazione di una turbina, a cui è inviato un getto d’acqua o di vapore. A sua volta, la turbina fa ruotare l’alternatore che produce l’energia elettrica.

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Centrali eoliche Trasformano l’energia meccanica primaria del vento in energia elettrica attraverso la rotazione delle pale collegate all’albero dell’alternatore.

Le centrali idroelettriche L’acqua, che si trova in un bacino a monte della centrale è immessa nelle condotte forzate, dove acquista un’alta velocità. Nella centrale, il flusso d’acqua mette in rotazione una turbina, a cui è collegato l’alternatore che ruotando produce energia elettrica.

alternatore

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Le centrali termoelettriche In una centrale termoelettrica la turbina è messa in moto da un getto di vapore che si ottiene riscaldando dell’acqua in una caldaia. Nella caldaia si brucia petrolio, metano o carbone. All’uscita della turbina, il vapore passa in un condensatore, dove è raffreddato e torna allo stato liquido. Infine, l’acqua ritorna nella caldaia, dove ricomincia il ciclo. La necessità di raffreddare il vapore mediante acqua fredda fa sì che le centrali termoelettriche siano poste vicino ai fiumi o al mare.

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Le centrali geotermiche sfruttano il calore proveniente dal sottosuolo . Il calore scalda dei bacini sotterranei e il vapore generato prelevato dal sottosuolo tramite perforazioni produce una pressione che fa ruotare le pale della turbina. Sull’albero della turbina è collegato l’alternatore . Il vapore viene successivamente raffreddato e condensato e restituito al bacino originario in modo da ottenere un ciclo continuo senza diminuire il livello di acqua del bacino .

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Il trasformatore Tutte le macchine elettriche che funzionano con batterie usano la corrente continua (DC) quindi bisogna convertire la corrente di rete che arriva alla presa elettrica( che è alternata (AC) ) tramite un trasformatore che riduce la tensione e converte la corrente da AC a DC. Anche gli elettrodomestici hanno un trasformatore interno ( esempio i PC ) per ridurre la tensione e per evitare di bruciare i circuiti , infatti I=V/R , con tensioni elevate si avrebbero correnti di funzionamento troppo alte che brucerebbero i circuiti .

Il trasformatore è costituito da due avvolgimenti, formati da spire isolate elettricamente tra loro, ed avvolte su di un nucleo di ferro.

Simbolo elettrico

TRASFORMATORE PER CELLULARE

220 v corrente AC alimentazione di rete

3,7 v corrente DC

IN INGRESSO IN USCITA

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CIRCUITI ELETTRICI Un circuito elettrico è un insieme di conduttori connessi in modo continuo , collegati a un generatore al circuito elettrico possono essere collegati ( in serie o in parallelo ) uno o più dispositivi ( lampadine, motori elettrici, resistenze, etc) Ciascun elemento di un circuito è rappresentato da un simbolo. SIMBOLI ELETTRICI DESCRIZIONE SIMBOLO ELETTRICO Generatore di tensione alternata

Motore elettrico in corrente alternata- trifase

Motore elettrico in corrente alternata- monofase

Motore elettrico in corrente continua

Resistenza elettrica

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Lampadina

Generatore di tensione continua ( pila, batteria)

Interruttore elettrico

Amperometro

Voltmetro

Messa a terra

Fusibile

Interruttore differenziale

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Interruttore magnetotermico

Circuito elettrico elementare formato da una pila, un interruttore , una resistenza (esempio una lampadina).

Se il circuito è chiuso (interruttore chiuso ) c'è passaggio di corrente; se il circuito è aperto ( interruttore aperto) non c’è passaggio di corrente.

Per ogni conduttore o ramo di circuito valgono le seguenti leggi di Ohm

rappresenta un utilizzatore ( phon , televisore, ferro da stiro) che ha resistenza R

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V VV=R*I formule inverse R= , I=I R

COLLEGAMENTO IN SERIE Più conduttori sono connessi in serie se sono posti in successione tra loro. In essi circola la stessa corrente elettrica.

Le lampadine dell'albero di Natale sono connesse in serie: se una si fulmina , il circuito si apre, non passa più corrente e tutte le lampadine si spengono;

RESISTENZE IN SERIE

V

V V

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Le resistenze in serie sono attraversate tutte dalla stessa corrente I Applicando le leggi di Ohm alle singole resistenze: I1= I2= I V1= R1*I1 = R1*I V2= R2*I2= R2*I Ai capi dei morsetti A,C la tensione vale : VAC= V1+ V2= R1*I+ R2*I= (R1+ R2)*I =Req*I Req= R1+ R2 (Req: resistenza equivalente uguale alla somma delle singole resistenze ) Per N resistenze collegate in serie la resistenza equivalente Req è : Req=R1+ R2+.....+ RN

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COLLEGAMENTO IN PARALLELO Più conduttori sono connessi in parallelo se hanno sia le prime che le seconde estremità connesse tra loro. Ai loro capi c'è la stessa differenza di tensione ∆V.

V V

V

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Gli elettrodomestici dell'impianto di casa sono connessi in parallelo: sono tutti indipendenti se una lampadina si fulmina , non si fulminano tutte le lampadine della casa.

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La corrente I in ingresso al nodo A si suddivide nei due rami delle resistenze R1 ,R2 I=I1+ I2 La differenza di tensione (V AB ) tra i punti A e B è la stessa quindi le resistenze R1 , R2 hanno la stessa tensione .

AB 1 1 2 2

AB AB1 2

1 2

AB AB AB1 2

1 2

AB

1 2

Applicando le leggi di Ohm : V I *R I *R V VI = , I =R R

V V VI=I +I = + =R R Req

V =I*Req1Req resistenza equivalente1 1( + )

R Rper N resistenze collegate in parallelo la resistenza equivalente

1 2

è quindi:1Req 1 1 1( + +...+ )

R R R N

Tutti i circuiti possono essere ricondotti al circuito elementare utilizzando la corrente equivalente Ieq e la resistenza equivalente Req.

Esercizi sui circuiti svolti in classe.

V

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Esercizi da svolgere Esercizio1

Esercizio2

Esercizio3

Esercizio4

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STRUMENTO DI MISURA- IL TESTER

Il tester è uno strumento costituito da un voltmetro (V) misura la tensione , amperometro (A) misura la corrente, ohmetro (Ω) misura la resistenza. I due morsetti rosso e nero vanno collegati al filo conduttore , con la manopola seleziono il tipo di misura che voglio eseguire ( tensione, corrente) e sul display leggo il valore della misura.

Amperometro (A), va collegato in serie e misura la corrente i. Voltmetro (V) va collegato in parallelo alla resistenza e misura la differenza di

tensione ∆V ai capi della resistenza . Ohmetro (Ω) va collegato in parallelo alla resistenza e misura la resistenza .

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IMPIANTI ELETTRICI MONOFASE( per impianti civili)

I circuiti monofase sono composti da 2 fili : un filo di fase e un filo neutro. La linea elettrica dell’impianto di un’abitazione parte dal contatore, che misura l’energia elettrica consumata dall’utente (per abitazioni max 3 KWh) che, a sua volta, è collegato a una cabina di distribuzione della rete elettrica. Dal contatore partono due fili, detti conduttore di fase e conduttore neutro. Tra la fase e il neutro c’è una tensione di 220 V. Gli utilizzatori (lampadine, televisore, radio, ecc.) sono collegati in parallelo alla fase e al neutro tramite prese.

Nelle prese elettriche ci sono tre poli. Il polo centrale è la terra, che deve essere collegato alle parti metalliche degli elettrodomestici. Dagli altri due poli si preleva la tensione 220 V; uno è il neutro, l’altro è la fase,

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Colori dei fili Neutro ( blu o azzurro) Fase ( marrone, nero, grigio, arancio) Terra ( righe giallo verdi)

Poiché gli utilizzatori sono in parallelo, l’intensità della corrente principale che passa nel circuito è uguale alla somma delle correnti nei singoli utilizzatori. Anche la potenza assorbita è la somma delle potenze. Più sono gli utilizzatori funzionanti, maggiore è la potenza assorbita. MESSA A TERRA La messa a terra serve per portare la tensione degli elementi metallici alla tensione del terreno per proteggere le persone dal rischio di folgorazione.

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Schema semplificato dell’impianto elettrico di una abitazione. Tutti i dispositivi sono collegati a terra ed in parallelo ( sono tutti alla stessa tensione 220 v).

DISPOSITIVI DI PROTEZIONE Sono dispositivi automatici di sicurezza per proteggere l’impianto elettrico e le persone. Questi dispositivi si trovano nel quadro elettrico posto in casa: _interruttore differenziale (salvavita) :serve per proteggere le persone dal rischio di folgorazione. Il suo funzionamento si basa sul fatto che l’intensità di corrente nei conduttori, neutro e fase, è normalmente la stessa. Un contatto anomalo tra la fase e la terra, dovuto per esempio a una persona che tocca inavvertitamente la fase causa una differenza di intensità tra la corrente che circola nel filo di fase e quella che percorre il neutro: è proprio questa differenza che fa scattare il salvavita, interrompendo il circuito. _interruttore magnetotermico: serve per proteggere l’impianto elettrico ( e tutti i dispositivi collegati) dalle sovracorrenti e scatta, interrompendo il passaggio di corrente, quando la corrente supera il valore massimo . Questo valore dipende dalla potenza installata, che nelle abitazioni normalmente è di 3 kW, è tarato su una corrente massima di circa 13,6 A: I=Pe/V= 3000W / 220V=13,6 A

220 V

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I FUSIBILI Sono dispositivi che proteggono le apparecchiature dalle sovracorrenti. E’ composto da un cilindro in plastica e all’interno da un filo metallico. Quando la corrente supera il valore limite ammesso il filo interno fonde interrompendo il passaggio di corrente proteggendo così il dispositivo. Il dispositivo di sicurezza ( si comporta come un interruttore) apre il circuito e interrompe il passaggio di corrente in due casi: se c’è un cortocircuito o c’è un sovraccarico dell’impianto.

LA SOVRACCORRENTE La sovracorrente è una corrente elettrica che ha un valore superiore a quella che il filo può sopportare ( altrimenti il filo si brucia). Si puo’ avere sovracorrente per due cause: cortocircuito e sovraccarico. CORTOCIRCUITO Si ha un cortocircuito quando si stabilisce un collegamento diretto fra il conduttore di fase e il neutro. Il nome di «cortocircuito» deriva dal fatto che la corrente segue un percorso molto breve;in pratica è come se collegassimo i due conduttori con un filo metallico di lunghezza molto piccola. Per la seconda legge di Ohm, la resistenza di questo filo è piccolissima; perciò la corrente che lo attraverserà sarà molto grande (nei circuiti in parallelo la corrente è inversamente proporzionale alla resistenza). SOVRACCARICO Si verifica quando gli utilizzatori inseriti assorbono una corrente superiore a quella limite dell’impianto elettrico . Per esempio, se contemporaneamente sono in funzione una lavatrice di potenza1,5 kW, un asciugacapelli da 1,2 kW e un frigorifero da 1 kW, la potenza totale è 3,7 kW e la corrente che dovrebbe circolare è I=Pe/V= 3700W / 220V=16,82 A superiore a quella limite dell’impianto .

FASE

NEUTRO

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SISTEMI TRIFASE ( usati nelle industrie) L’industria utilizza macchinari che hanno bisogno di più energia rispetto ad una abitazione civile,quindi si utilizzano i sistemi trifase con tensione alternata di ~380,400 V . I circuiti trifase sono formati da 3 fili chiamati fasi ( indicati come L1, L2, L3) ed un filo chiamato neutro ( indicato con N) oltre al filo di messa a terra.

spina trifase

La spina trifase 380 V può essere a 4 contatti (tre fasi e terra) oppure a 5 contatti (tre fasi, neutro e terra). Viene usata sui cantieri edili e su macchine industriali. Le tre fasi sono indicate come L1, L2 e L3, il neutro con N e per la terra c'è il classico simbolo .

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FORMULARIO DESCRIZIONE SIMBOLO/FORMULA U.M. - SIMBOLO Corrente elettrica I Ampere- A Periodo T Secondi - sec Frequenza f=1/T Hertz= 1/sec Resistenza elettrica R Ohm - Ω Tensione elettrica V=R*I Volt – V , 1V=1 Ω*1A Potenza elettrica Pe=V*I Watt - W , 1W=1V*1A Tempo t sec Energia elettrica E=Pe*t =V*I*t Wattora – Wh , Joule – J

1 J = 1 W* 1 sec Energia meccanica Em Joule – J Calore dissipato Q=V*I*t calorie – cal CONVERSIONI 1 ora = 60 min=3600 sec 1 Wh=3600 J , 1KWh=3,6 MJ 1cal = 4,184 J , 1Kcal = 4,184 KJ Esercizi di conversione Convertire :

800 J in KWh 120 min in ore 3 KWh in MJ 3 Kcal in J 3Kcal in KWh