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Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi.

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Presentazione sul tema: "Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi."— Transcript della presentazione:

1 Reti elettriche: teoria e applicazioni. Interruttori. Paolo Pelacchi

2 reti elettriche - interruttori2 Interruttori -Linterruttore è un dispositivo che, come dice la parola, deve interrompere un circuito e/o una corrente. -Il suo funzionamento può essere manuale (anche da remoto) o automatico: -Nel caso di funzionamento manuale esso viene comandato direttamente da un operatore -Nel caso di funzionamento automatico esso viene comandato da uno o più relé che si attivano al verificarsi di eventi predeterminati: in tal caso si parla di sistema di protezione -La presente trattazione è relativa solamente al componente che interrompe il circuito.

3 reti elettriche - interruttori3 Interruttori -Le funzioni che devono essere svolte da un interruttore sono: -Isolare i due circuiti a monte e a valle dei contatti (aperto) durante buona parte della propria vita -Sopportare la corrente nominale (chiuso) durante la rimanente parte della propria vita -Interrompere le correnti di pieno carico frequentemente -Interrompere le correnti di cto cto un numero limitato di volte -I principi di funzionamento si basano sulle modalità di controllo dello spegnimento dellarco.

4 reti elettriche - interruttori4 Interruttori -Dal punto di vista funzionale gli interruttori si possono classificare come: -Ad alta resistenza darco -A bassa resistenza darco -Dal punto di vista tecnologico gli interruttori si possono classificare nel seguente modo: -In olio -In aria -Ad aria compressa -Sotto vuoto -In SF 6

5 reti elettriche - interruttori5 Interruttori

6 6 Interruttori

7 7 Caratteristiche dellarco elettrico -Nella fase di apertura la superficie dei contatti tende a ridursi progressivamente con un conseguente aumento della densità di corrente. Come conseguenza la temperatura aumenta fino a valori estremamente elevati provocando linnesco ed il successivo sviluppo dellarco. Il fenomeno è molto complesso e dipende da numerosi fattori (natura del mezzo, materiale e velocità di allontanamento dei contatti, ecc.). -Nellarco sono identificabili sostanzialmente tre zone: -Zona catodica (potenziale negativo) -Colonna positiva -Zona anodica (potenziale positivo)

8 reti elettriche - interruttori8 Caratteristiche dellarco elettrico -Zona catodica: emette elettroni che in parte migrano verso larco ed in parte generano per collisione altri elettroni e ioni i quali (ioni) ricadendo sullelettrodo contribuiscono a mantenerne la temperatura. -Colonna positiva: elettricamente neutra; costituita da plasma (atomi, ioni, elettroni, vapori metallici dei contatti). -Zona anodica: collettrice di elettroni; produce ioni positivi prodotti per collisione mantenendo elettricamente neutra la colonna.

9 reti elettriche - interruttori9 Caratteristiche dellarco elettrico -Caratteristica volt-amperometrica: curva che riporta i valori di tensione necessari a mantenere stabile larco al variare della corrente. -La caratteristica dellarco può essere suddivisa in -Caratteristica statica, che riporta i valori della tensione darco necessari a sostenere in maniera stabile larco stesso in condizioni di regime. -Caratteristica dinamica, che riporta i valori della tensione darco necessari a sostenere in maniera stabile larco stesso in condizioni di variazione nel tempo della corrente o della lunghezza darco.

10 reti elettriche - interruttori10 Caratteristiche dellarco elettrico -Caratteristica statica (regime stazionario) dellarco per differenti valori di lunghezza (resistenza negativa).

11 reti elettriche - interruttori11 Caratteristiche dellarco elettrico -In un circuito in cc senza resistenza larco è instabile (caratteristica statica).

12 reti elettriche - interruttori12 Caratteristiche dellarco elettrico -In un circuito in cc in presenza di una resistenza larco si stabilizza (caratteristica statica). f 1 = U a f 2 = E-RI Il punto di equilibrio stabile è P 2. Infatti se I aumenta f 2 diminuisce più di f 1 e la corrente è costretta a ridursi…

13 reti elettriche - interruttori13 Caratteristiche dellarco elettrico -In un circuito in cc la caratteristica dinamica dellarco è riportata in figura. Larco si innesca per una tensione U i e la U a decresce progressivamente al crescere della corrente. Quando la corrente inizia a decrescere la tensione U a torna a crescere raggiungendo però valori inferiori a parità di corrente; lestinzione avviene per una tensione U e < U i. Di fatto è come se fosse presente una inerzia (termica, elettromagnetica, ecc.)

14 reti elettriche - interruttori14 Caratteristiche dellarco elettrico -Caratteristica dinamica dellarco in corrente alternata.

15 reti elettriche - interruttori15 Caratteristiche dellarco elettrico -Costruzione grafica della tensione darco in corrente alternata.

16 reti elettriche - interruttori16 Caratteristiche dellarco elettrico -Andamento temporale della tensione darco in corrente alternata; tensione e corrente risultano essere praticamente in fase da cui deriva che larco viene in genere considerato una resistenza.

17 reti elettriche - interruttori17 Interruzione dellarco elettrico -Linterruzione dellarco elettrico è il processo che permette di interrompere la corrente che sostiene larco. Il processo ha due modalità differenti in conseguenza del fatto che si sviluppi in cc o in ca. -Interruzione in ca: viene sfruttato lannullamento della corrente che determina uno spegnimento naturale dellarco; si deve successivamente evitare che larco si riadeschi. -Interruzione in cc: in questo caso non si può sfruttare lannullamento della corrente; si agisce quindi sullallungamento dellarco. -Nella trattazione accenneremo solamente al caso di interruzione in ca.

18 reti elettriche - interruttori18 Interruzione dellarco elettrico in ca -Linterruzione dellarco elettrico in ca risulta essere facilitata dal fatto che la corrente nel circuito si annulla ad ogni semiperiodo. Di conseguenza lobiettivo del processo di interruzione è quello di evitare il riadescamento dellarco stesso. -Negli istanti immediatamente seguenti lo spegnimento laria nella zona interessata dal fenomeno è fortemente ionizzata e per tale motivo non ha ancora riacquistato la rigidità dielettrica originaria. Di conseguenza il valore della tensione necessaria al riadescamento aumenta progressivamente nel tempo fino a tornare al valore iniziale (curva di ripristino) -Ovviamente la curva di ripristino è anche funzione della distanza fra i contatti.

19 reti elettriche - interruttori19 Interruzione dellarco elettrico in ca -Curve di ripristino della rigidità dielettrica. -La tensione di ripristino assume un valore diverso da 0 già un s dopo lestinzione dellarco.

20 reti elettriche - interruttori20 Interruzione dellarco elettrico in ca -E evidente che, al fine di evitare il riadescamento dellarco negli istanti successivi alla sua estinzione, la tensione di ripristino deve essere sempre superiore alla tensione che si stabilisce ai morsetti dellinterruttore (tensione di ristabilimento).

21 reti elettriche - interruttori21 Interruzione dellarco elettrico in ca -Supponiamo di fare riferimento ad un guasto in prossimità dellinterruttore con lobiettivo di valutare la tensione di ristabilimento ai contatti negli istanti immediatamente successivi alla interruzione della corrente di guasto (spegnimento dellarco). -Per studiare il fenomeno si può analizzare la risposta del circuito R-L-C di figura.

22 reti elettriche - interruttori22 Interruzione dellarco elettrico in ca -Lequazione di equilibrio del circuito elettrico sarà Le cui condizioni iniziali sono con

23 reti elettriche - interruttori23 Interruzione dellarco elettrico in ca -Di conseguenza lequazione di equilibrio diventa La cui soluzione è la somma di un integrale generale ed uno particolare Lintegrale generale si ottiene risolvendo lomogenea associata

24 reti elettriche - interruttori24 Interruzione dellarco elettrico in ca Risolvendo lequazione algebrica caratteristica e ipotizzando che Si ottiene Dove

25 reti elettriche - interruttori25 Interruzione dellarco elettrico in ca -Applicando le condizioni iniziali e risolvendo si ottengono le due costanti di integrazione E quindi in definitiva

26 reti elettriche - interruttori26 Interruzione dellarco elettrico in ca Come integrale particolare può essere assunta la condizione di regime permanente finale trascurando le cadute nella resistenza e nella induttanza.

27 reti elettriche - interruttori27 Interruzione dellarco elettrico in ca La soluzione finale risulta in definitiva la seguente -La frequenza delloscillazione libera f n è molto maggiore di quella industriale -La tensione max in assenza di smorzamento è 2E M

28 reti elettriche - interruttori28 Interruttori in aria -Principali caratteristiche e principi di funzionamento.

29 reti elettriche - interruttori29 -Funzionamento di un interruttore in aria. Interruttori in aria

30 reti elettriche - interruttori30 Interruttori ad aria compressa -Principali caratteristiche e principi di funzionamento.

31 reti elettriche - interruttori31 Interruttori in SF 6 -Principali caratteristiche e principi di funzionamento.

32 reti elettriche - interruttori32 Interruttori in SF 6 -Principali caratteristiche e principi di funzionamento.

33 reti elettriche - interruttori33 Interruttori in SF 6 -Principali caratteristiche e principi di funzionamento.


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