ELETTROTECNICA ‒ II Parte Materiali e Componenti (1/2)

CORSO DI
ELETTROTECNICA – II Parte
Materiali e Componenti (1/2)
Prof. Giovanni Lupò
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università di Napoli Federico II
a.a. 2011/12
–I-
CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI
• METALLI
• MATERIE PLASTICHE
• MATERIALI CERAMICI
2
PRINCIPALI PROPRIETÀ
ELETTRICHE E MAGNETICHE
• resistività (conducibilità)
• permeabilità magnetica
• permettività dielettrica
• rigidità dielettrica
3
PRINCIPALI PROPRIETÀ TERMICHE
• dilatazione termica
• conducibilità termica
• capacità termica
4
PROPRIETÀ NEL TEMPO
le proprietà dei materiali non sono costanti nel
tempo.
possono variare, in genere in senso peggiorativo, e
dare luogo a degradazione del materiale
(invecchiamento).
ridotta capacita’ del materiale di sopportare le sollecitazioni
5
MATERIALI PER I SISTEMI ELETTRICI
•
•
•
•
materiali strutturali
materiali conduttori
materiali magnetici
materiali isolanti elettrici
6
7
8
9
10
MATERIALI STRUTTURALI
MATERIALI METALLICI
– acciaio, ferro, ghisa.
– bronzi, ottoni.
– alluminio e sue leghe
– materiali a basso punto di fusione per cuscinetti.
MATERIALI POLIMERICI
– polimeri puri
– polimeri rinforzati con fibre
– polimeri caricati con polveri (macro, micro e nanometriche)
•
•
•
•
materiali lubrificanti (oli e grassi)
vernici e materiali di finitura e protezione
isolanti termici
isolanti acustici
11
MATERIALI CON FUNZIONI ELETTRICHE
•
•
•
•
MATERIALI CONDUTTORI
MATERIALI MAGNETICI
MATERIALI ISOLANTI ELETTRICI
MATERIALI SEMICONDUTTIVI
12
MATERIALI CONDUTTORI
costituiscono i circuiti elettrici e gli elementi di schermo elettrostatico nei
componenti elettromagnetici; nei componenti elettrostatici costituiscono le
strutture equipotenziali e di schermo elettrico.
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CONDUTTORI
TRADIZIONALI
• rame ed alluminio
• argento, oro ed altri metalli nobili
• leghe a base alluminio e rame
• leghe ferrose
•
carbonio
NON TRADIZIONALI
• materiali crioresistivi
• superconduttori
• polimeri conduttivi
• conduttori a caratteristica
v- i non lineare.
14
RESISTIVITA’
•
Le caratteristiche di conduzione di un materiale omogeneo ed isotropo sono in genere sintetizzate
nella relazione costitutiva tra campo elettrico E e densità di corrente J:
E = hJ
•
Il coefficiente h prende il nome di resistività elettrica, il suo inverso prende il nome di conducibilità
elettrica.[ Tali coefficienti possono essere costanti al variare delle grandezze di campo: in tale caso
si parlerà di materiali conduttori lineari.
•
Per i materiali metallici, la resistività è valutata in base a parametri congrui con applicazioni
ordinarie, come le linee di alimentazione. Va fissata, ad esempio, una temperatura di riferimento
o (in genere 293 K ossia 20°C), in quanto la resistività varia con la temperatura q del conduttore, il
cui valore a regime è dipendente a sua volta sia dalla temperatura ambiente che dalla intensità di
corrente che interessa il conduttore (effetto Joule). Per i conduttori metallici la resistività aumenta
linearmente con la temperatura in un ampio intervallo di valori della stessa.
•
Si definisce resistività superficiale [conducibilità superficiale] la quantità ρs=ρ/δ [γs=γδ], ove δ è lo
spessore del resistore di resistenza R di larghezza b e lunghezza L. Poichè , la resistività
superficiale è numericamente pari alla resistenza di un resistore di lunghezza e larghezza unitaria
(conoscendo quindi il materiale, da una opportuna misura di resistenza si può risalire allo
spessore, come vien fatto normalmente per i rivestimenti o per le vernici conduttive). La
resistività [conducibilità] superficiale si esprime in Ω [S].
15
RESISTIVITA’
MATERIALI
Conduttori metallici
argento
rame puro
rame industriale
oro
piombo
alluminio
tungsteno
ferro
Leghe per resistori
Manganina
Costantana
Nichel-Cromo
Ferro-silicio per lamierini
Resistività h -qo=293 K
[W mm2 /m ]º[mW m]
coefficiente di temperatura a(qo)
0.016
0.016291
0.0178
0.024
0.022
0.028
0.055
0.1
3.8 10-3
3.9 10-3
3.9 10-3
3.4 10-3
3.9 10-3
3.7 10-3
4.5 10-3
0.45
1.1
1.5 10-5
2 10-5
1 10-4
0.3
4 10-3
K-1
Conduttori non metallici
Carbone per lampade ad 70
arco
16
CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI
MATERIALE
Elementi
C (diamante)
silicio
germanio
Composti
GaAs
InP
InAs
Conducibilità intrinseca
(S/m)
< 10 -16
3 x 10 -4
2
10 -6
5 x 10 2
10 4
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Materiali conduttori per linee elettriche
•
Requisiti elettrici: bassa resistività , basso coefficiente di temperatura
, possibilità di isolamento del conduttore.
•
Requisiti meccanici: elevata resistenza alla trazione, comportamento
"elastico", resistenza alla torsione ed al piegamento, durezza (per i
contatti), resilienza.
•
Requisiti termici: conducibilità termica elevata, coefficiente di
dilatazione termica bassa; alta temperatura di fusione, saldabilità
•
Requisiti tecnologici: malleabilità, duttilità
•
Requisiti chimici: assenza di reazioni con altri metalli, non
corrodibilità
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Materiali per resistori
Per ottenere valori di resistività relativamente elevati con materiali metallici o comunque ad elevate prestazioni, si devono
considerare significative impurità e/o deformazioni del reticolo cristallino. Possiamo distinguere due casi:
a) mescola di più cristalli di atomi diversi;
b) cristalli formati con atomi diversi (leghe).
Nel caso a), detta h1 la resistività del metallo base e h2 la resistività del metallo “intruso” di concentrazione cz, la resistività
“equivalente” può essere scritta come:
h eq = h1( 1 - cz ) + h 2 cz = h1 + ( h 2 - h1 ) cz
Come si nota, la resistività è proporzionale alla concentrazione di impurità.
Nel caso b), si hanno notevoli variazioni dei valori di resistività. Nel caso di leghe a due componenti, i più alti valori di
resistività si hanno per proporzioni quasi uguali delle due componenti.
Per le leghe risulta verificata la seguente
regola di MATTHIESEN
h metalloa metallo = h legaa lega
ossia risulta costante, al variare della concentrazione, il prodotto della resistività per il coefficiente di temperatura, per cui le
leghe presentano resistività assai meno sensibile alla temperatura rispetto al metallo puro.
19
EFFETTO DELLE IMPURITÀ
20
Progetto di resistori: a) stufa (1/2)
Va assegnata la potenza P [P=1000 W] e la tensione nominale Vn [Vn=250 V].
Va scelto il materiale [filo di Ni-Cr, h293K= 1.10 μΩm, α=0.00025 K-1, Ø=d]
Indicando con θ1 la temperatura di regime, la resistenza del conduttore dovrà essere
l
V2
Rq1 = h (q1 )
=
[= 62,5 W]
p 2 P
d
4
A regime, questa potenza viene tutta irradiata verso l’ambiente a temperatura q 0 , quindi
P
P = k (q1 - q 0 )p d × l ® d × l =
kp (q1 - q 0 )
Si hanno quindi due relazioni tra diametro e lunghezza (a caldo) del filo.
A parità di diametro, la lunghezza del filo è inversamente proporzionale al salto termico
21
Progetto di resistori: a) stufa (2/2)
Assumendo che la temperatura ambiente sia q 0 =0°C, che la temperatura di lavoro q1 sia 600°C ed
W
il coefficiente di trasmissione sia pari a k = 100 2 , si ha
m K
P
1000
d ×l =
=
@ 5,3 10 -3 m 2
kp (q1 - q 0 ) 100 × 600p
l=
R
p
4
d2
h (q1 )
®
R
p
4
d3
h (q1 )
5,3 10 -3h (q1 )
-3
@ 5,3 10 ® d =
3
R
p
= 3 136 10 - 4 @ 0,5mm
4
-3
5,3 10
@ 10,5m
0.5 *10 -3
Si può in alternativa far riferimento ai carichi termici specifici Ps, cioè ai massimi valori di
potenza dissipabile da un conduttore per unità di superficie. Per i conduttori di diametro pari a
0.5 mm, i carichi specifici dipendono dalla temperatura di lavoro:
l=
q1 (°C)
700
800
900
1000
1100
1200
Ps (W/cm2)
6
9
12
17
22
30
Si può aumentare la superficie laterale (a parità di massa conduttrice) utilizzando conduttori a
nastro o sbarre
22
Progetto di resistori: b) forno (1/2)
Nel caso di un forno alimentato alla tensione V occorre valutare l’energia necessaria per
riscaldare un dato oggetto di massa m e di calore specifico cs dalla temperatura ambiente
q 0 ad una temperatura finale q1 . L’energia strettamente necessaria per riscaldare l’oggetto
è pari a
V2
W = Pforno Dt =
Dt = m × cs × (q1 - q 0 )
R(q1 )
L’energia che bisogna fornire sarà superiore perché occorrerrà considerare che il forno
stesso dovrà portarsi alla temperatura q1 o leggermente superiore, tenendo ossia conto
delle perdite W* di vario tipo che portano ad un rendimento
W
W
h=
® Pforno =
W +W *
h × Dt
Il rendimento dipende dall’intervallo di tempo di riscaldamento. All’aumentare di tale
intervallo aumentano le perdite. Occorre quindi limitare tale intervallo, con conseguente
aumento della potenza.
23
Progetto di resistori: b) forno (2/2)
Assumendo che l’oggetto sia un cilindro di rame (m=2000 kg, C=390 J/kgK), la temperatura
finale sia 700°C, il tempo di riscaldamento sia 3h; in queste condizioni è presumibile un
rendimento pari a 0.8.
L’energia W vale
V2
W = Pforno Dt @
Dt = m × cs × (q1 - q 0 ) = 2000 × 390 × 700 = 545MJ º 152kWh
R(q1 )
La potenza richiesta vale
W
152
Pforno =
=
= 63.5kW
h × Dt 0.8 × 3
La resistenza (a caldo) vale 3.95 Ω. Se si usa un filo di lega Ni-Cr, la resistività a caldo vale
1.32 μΩm; confrontando la tabella dei carichi specifici si ricava necessaria una superficie di
44 m2; utilizzando un conduttore a sezione circolare di diametro 7.5 mm, si trova che la
lunghezza deve essere di 133 m
24
Progetto di linee e cavi – Transitorio termico
In ogni intervallo di tempo infinitesimo, vi sarà una produzione di calore per effetto Joule,
un riscaldamento del conduttore ed un irraggiamento verso l’esterno attraverso la
superficie laterale del conduttore
DQJoule = DQint + DQirr
dq
+ k (q1 - q 0 )p d × l
dt
h (q ) 2
d2
I dt + k (q1 - q 0 )p d dt = csp
d dq
d2
4
p
4
Al regime termico corrisponde la temperatura
R (q ) I 2 = cs m
q1 = q 0 +
h (q1 )
3
I2
d
4
Nel caso dei cavi coassiali, la temperatura θ1 del conduttore centrale (anima) sarà fissata
ragionevolmente più bassa della della temperatura di transizione del dielettrico; il basso
valore del coefficiente k di trasmissione termica limita la portata dei cavi (massima
intensità di corrente I), a meno di non voler aumentare il diamentro del conduttore
centrale.
kp 2
CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -III-
25
LEGGE DI JOULE IN FORMA LOCALE.
Le perdite per unità di volume possono essere così espresse:
p = J . E = hJ2= sE2 = EJ
Le perdite per unità di massa valgono quindi:
p1 = hJ2 /δ
dove δ è la densità del materiale.
26
PORTATE E DENSITÀ DI CORRENTE PER UN CAVO
BIPOLARE CON POSA IN ARIA LIBERA
Sezione
mm 2
1,5
2,5
4
6
10
16
25
Portata
A
24
33
45
58
80
107
142
Densità di corrente
A/mm 2
16
13,2
11,4
9,7
8
6,7
5,7
27
Portata I di un cavo in funzione della sezione S.
160
140
120
I (A)
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
S (mm 2 )
28
J (A/mm2)
Densità di corrente J in un cavo in funzione della sezione S.
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
S (mm 2 )
29
PORTATA DI CORRENTE PER CAVI ISOLATI IN
GOMMA (G7 - G10)
- temperatura di esercizio del conduttore 90°C
- temperatura ambiente per posa in aria: 30°C
- temperatura del terreno per posa interrata: 20°C
- resistività termica del terreno: 100°C cm/W
Posa in aria entro tubi o
cassette - o cassette
appoggiati al muro
Posa in aria libera, cavi
appoggiati al muro o
sospesi a fune portante
Posa direttamente
interrata
Sezione
3 cavi
unipolari
1 cavo
tripolare
3 cavi
unipolari
1 cavo
unipolare
3 cavi
unipolari
1 cavo
tripolare
mm²
A
A
A
A
A
A
1,5
19,5
19,5
24
23
30
28,5
2,5
26
26
33
32
41
38
4
35
35
45
42
53
49
6
46
44
58
54
67
61
10
63
60
80
75
89
81
16
85
80
107
100
115
104
25
112
105
135
127
149
133
35
138
128
169
157
179
159
50
168
154
207
192
210
188
70
213
194
268
246
260
230
95
268
233
327
298
315
275
120
310
268
383
346
360
312
150
350
300
444
399
405
345
185
392
340
510
456
455
390
240
461
398
607
538
530
460
300
530
455
703
621
585
520
400
605
-
823
-
-
-
CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -III-
30
CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DI UN CONDUTTORE
FATTORI ELETTRICI:
• valore della resistenza o della caduta di tensione ammissibili.
• corrente nominale.
• tensione nominale
FATTORI TERMICI
• massima temperatura ammissibile.
• caratteristiche di dissipazione del calore dell’isolamento elettrico.
• temperatura ambiente
FATTORI MECCANICI
PROCESSI CHIMICI
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CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -III-
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CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -III-
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MATERIALI CERAMICI
• notevole durezza
æ carico applicato ö
çç
÷÷
è superficie impronta ø
• resistenza agli agenti corrosivi ambientali
• refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni
chimiche)
• fragilità (rottura brusca, senza snervamento)
• combinazione di materiali metallici e non metallici (gli
ioni metallici (positivi) e quelli non metallici (negativi) stabiliscono un legame forte che ne
spiega la fragilità, l’inerzia chimica e la durezza)
35
MATERIALI CERAMICI PER USO ELETTRICO
• Materiali tradizionali
– Caolino (argilla, feldspato)
– allumina Al2 O3
– Muscovite (mica bianca)
• Materiali innovativi
- ossidi di titanio e calcio
- ferroelettrici (ossidi di bario e titanio)
• Materiali avanzati (preceramici)
36
MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO.
hanno la funzione di separare parti a potenziale elettrico diverso e di costituire nei
componenti elettrostatici i volumi dove si stabilisce il campo elettrico
- ISOLAMENTI GASSOSI
•aria
• SF6
• azoto
• miscele
- VUOTO
- ISOLAMENTI LIQUIDI
•oli minerali
• oli di sintesi
– oli siliconici
– esteri organici
• gas liquidi (es. azoto)
- ISOLAMENTI SOLIDI
37
ISOLAMENTI SOLIDI
•
•
•
•
•
POLIMERI TERMOPLASTICI
POLIMERI TERMOINDURENTI
CARTA NATURALE E DI SINTESI
ISOLAMENTI INORGANICI
MATERIALI COMPOSITI
38
ISOLATORI IN MICA
39
40
ISOLATORI CERAMICI
41
42
43
PASSANTE (Bushing)
44
45
46
Isolamenti in carta per trasformatori
Film di carta (tipo Kraft)
Cartoni per l’isolamento di un avvolgimento
47
Isolatori passanti in alta tensione
Isolatori passanti per 145 kV
Isolatori passanti per 380 kV
48
Trasformatori isolati in carta olio
Isolamento in carta di un trasformatore trifase - 1986
(prima dell’impregnazione con olio)
Inserimento della parte attiva isolata in
carta nella cassa dell’olio –
trasformatore da 8 MVA - 1922
CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -X-
49
Smalto per isolamenti (glaze)
-Silicio
- Ossidi metallici
-Ossidi di stagno e zirconio
- aggiunta di semiconduttori
50
Sottostazioni all’aperto
isolamento fre le
fasi
isolamento verso
terra
51
Incendio Trasformatore
vasca di
contenimento
dell’olio
52
53
MATERIALI FERROMAGNETICI
costituiscono i circuiti magnetici e gli elementi di schermatura magnetica nei componenti elettromagnetici
FERRO e Leghe FERRO-CARBONIO
•materiali massicci
•materiali laminati:
– cristallini
• tradizionali
• a cristalli orientati
– Amorfi
ALTRI MATERIALI
•materiali per magneti permanenti
•leghe speciali
•ferriti (materiali ferrimagnetici)
•polimeri caricati
54
-• Fine CET_Materiali e Componenti
CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -V-
55