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arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Circuiti, campi elettromagnetici e teoria delle linee di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica

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[1] arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentessormanni » 15 feb 2021, 19:03

Salve a tutti,
ho visto un video dove faceva vedere due circuiti identici con un alimentatore AC con resistenza e lo stesso in DC. Allora quando apriva il circuito in AC non si formava l'arco elettrico mentre quando lo faceva in DC l'arco elettrico si formava ed era molto grande (>10 cm) mi sono chiesto come sia possibile avere un arco così elevato pur non avendo circuiti induttivi.

Qualcuno può darmi una spiegazione scientifica?

Grazie
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[2] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto UtenteEdmondDantes » 15 feb 2021, 20:24

ssormanni ha scritto:mi sono chiesto come sia possibile avere un arco così elevato pur non avendo circuiti induttivi.

Perche' fai questa affermazione?
Qualsiasi circuito reale presenta caratteristiche RLC piu' o meno accentuate (anche se alimenti un carico resistivo ;-) ).
In generale, possiamo fare riferimento ad un circuito RL come questo:



In condizioni di regime l'interruttore e' chiuso e il generatore di tensione in corrente continua imprime la tensione costante E al resto del circuito.
La corrente che circola nel circuito e':

\text{I}_{0}=\frac{\text{E}}{\text{R}}

All'apertura dell'interruttore e' necessario studiare il conseguente transitorio del primo ordine RL:
\text{E}-\text{R}i-\text{L}\frac{\mathrm{d} i}{\mathrm{d} t}-\text{V}_{a}=0

Nell'istante in cui hai aperto l'interruttore sullo stesso avrai la tensione
\text{V}_{a}=\text{L}\frac{\mathrm{d} i}{\mathrm{d} t}

dato che a t=0^{-} la tensione del generatore era equilibrata totalmente dalla c.d.t. sulla resistenza R.

Negli istanti successivi la corrente descresce e la Va cresce. La corrente non potrà essere annullata finche' Va non sara' abbastanza maggiore ad E.
Il fenomeno e' influenzato da molti fattori (geometrici, ambientali, materiali utilizzati, elettrici e termodinamici).
Osservando gli oscillogrammi di apertura di circuiti in DC in stato di guasto si possono osservare anche fenomeni oscillatori sulla tensione Va dovuti essenzialmente alle capacita' parassite presenti in un qualsiasi circuito (non mi riferisco ai circuiti oscillanti ausiliari ;-) che si utilizzano per interrompere la corrente DC).

ssormanni ha scritto:in DC l'arco elettrico si formava ed era molto grande (>10 cm)

Estinguere un arco in corrente continua non e' facile, proprio perche' e' necessario allungare la lunghezza dell'arco stesso (al fine di far aumentare la Va). In AT questo tipo di approccio e' improponibile.

L'equazione corrente continua assenza di fenomeni induttivi non e' corretta [-X

Il fenomeno dell'arco elettrico in corrente alternata e' piu' complicato rispetto al precedente anche se (in teoria e solo in teoria :mrgreen: ) piu' semplice da estinguere.
In genere sono sufficienti distanze molto piccole per estinguere l'arco anche per tensioni elevate. In questo caso il vero problema e' rappresentato dall'accelerazione necessaria per aprire i contatti.
Sono stati sviluppati metodi davvero ingegnosi per estinguere un arco in AC.

ssormanni ha scritto: Allora quando apriva il circuito in AC non si formava l'arco elettrico mentre quando lo faceva in DC l'arco elettrico si formava ed era molto grande

Questo tipo di discorso, anche avendo il video a disposizione, non ha molto senso.
I due esperimenti sono equivalenti dal punto di vista energetico? E dal punto di vista delle condizioni al contorno?
L'esperimento e' controllato?
Un parametro fondamentale da studiare e' l'energia d'arco \int_{0}^{t}v_{a}i\, d\text{t} rappresentante la parte di energia dell'arco dissipata in calore.
L'arco e' stabile solo se la sorgente di alimentazione e' in grado di sostenere questa energia in modo da compensare il calore prodotto, evitando il raffreddamento dell'arco stesso.
Il Conte di Montecristo

Se non studio un giorno, me ne accorgo io. Se non studio due giorni, se ne accorge il pubblico.

Io devo studiare sodo e preparare me stesso perché prima o poi verrà il mio momento.
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[3] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentessormanni » 17 feb 2021, 8:48

grazie per le risposte e i suggerimenti. il video lo si può vedere qui: https://www.youtube.com/watch?v=Zez2r1RPpWY e sono d'accordo con il fatto che dipende molto dal fattore L, ma vedendo il video mi sembra che non sia così elevato.
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[4] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 17 feb 2021, 9:41

Sempre parlando di rele e interruttori, volendo accennare al solo aspetto pratico, la massima tensione interrompibile in continua è quasi sempre inferiore alla metà di quella prevista in alternata e solo alcuni modelli prevedono il doppio impiego.

https://m.youtube.com/watch?v=csMQ9A-4Pws

La stessa cosa l'ho provata io con una resistenza da 2.2kw per il riscaldamento della mia macchina elettrica a 240Vcc
Il comando è fatto con un Igbt in PWM ma la protezione con un rele che al primo test è fuso esattamente come il magnetotermico del filmato.
Non è semplice estinguere l'arco se l'aria si ionizza.

Ciao
Ultima modifica di Foto Utentestefanopc il 17 feb 2021, 9:57, modificato 2 volte in totale.
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[5] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentefpalone » 17 feb 2021, 9:44

Foto Utentessormanni,
uno degli effetti più importanti è, come ti ha detto già Foto UtenteEdmondDantes, il passaggio per lo zero della corrente, che in c.a. avviene due volte (edit) ogni 20 ms.
Questo consente di separare, almeno teoricamente ed in prima approssimazione, due regimi distinti: uno termico ed uno dielettrico. Nel primo (termico) il fluido di interruzione deve essere sufficientemente raffreddato da far si che la conduttanza del canale d'arco diminuisca drasticamente: in pratica non ci deve essere più plasma conduttivo che consenta una conduzione di corrente.
Nel secondo (dielettrico) si deve far si che lo spazio spinterometrico tra catodo ed anodo presenti una tenuta dielettrica sufficiente ad evitare il re-innesco dell'arco per via della tensione transitoria di ritorno (TRV) che si manifesta tra gli elettrodi.

In corrente alternata la conduttanza del canale d'arco ha una periodicità a 100 Hz: per via della ridotta costante di tempo della colonna d'arco (almeno, finché si parla di roba "piccola") è possibile sfruttare il passaggio per lo zero della corrente come transizione tra i due regimi, ottenendo uno spegnimento dell'arco in modo relativamente più semplice rispetto alla corrente continua.

In corrente continua la conduttanza del canale d'arco non una periodicità: per raffreddare il canale d'arco è necessario adottare accorgimenti diversi: ad esempio consentendo all'arco di allungarsi di più, allungandolo più in fretta, rimpiazzando il maniera più veloce il fluido di interruzione ionizzato con altro "freddo" o, al limite, sfruttando la conduttanza stessa d'arco per diminuire la corrente e quindi l'energia apportata alla colonna stessa, fino a rendere instabile l'arco.
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[6] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentefpalone » 17 feb 2021, 9:45

stefanopc ha scritto: massima tensione interrompibile in continua è quasi sempre inferiore alla metà di quella prevista in alternata
:ok:
In BT può essere un approccio, già in MT e, peggio ancora, in AT, gli interruttori "normali" non sono assolutamente in grado di interrompere correnti finché non passano per lo zero!
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[7] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentestefanopc » 17 feb 2021, 12:05

In ferrovia a 3000Vcc hanno dei bei Sezionatori a Corna per allargare l'arco e cercare di spostarlo velocemente dai contatti (doppi uno sacrificato e uno principale ) aperti per non farli colare.
20210217_110924.jpg
20210217_110924.jpg (15.46 KiB) Osservato 7966 volte


In BT se continua a mio avviso è uno di quei campi in cui un buon fusibile ( 14x51 pieno di silice ) da più sicurezza di interruzione di un magnetotermico ( che prende letteralmente fuoco) non progettato per le applicazioni in contina.

Una applicazione di questo arco era e è ancora nel cinema da più di 70 anni.
https://www.osram.it/ecat/XBO%20DHP%20f ... 1_1028550/
Ciao
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[8] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentedavi82 » 17 feb 2021, 13:21

EdmondDantes ha scritto:Qualsiasi circuito reale presenta caratteristiche RLC piu' o meno accentuate (anche se alimenti un carico resistivo

Che un po' di induttanza sia sempre presente non c'è dubbio... hai ragione... ma qui non importa l'induttanza. Anche se l'induttanza fosse sostanzialmente zero, l'arco enorme ci sarebbe lo stesso. Nel video in oggetto, l'arco così evidente non è dovuto ad un incremento della forza elettromotrice indotta dall'induttanza durante l'apertura del contatto.

L'arco si mantiene vivo con la semplice tensione di 220 V continua, senza nessun aiuto da parte dell'eventuale induttanza.
L'arco è causato dalla ionizzazione dell'aria e dipende da corrente *e* tensione.
In DC non si dà occasione all'arco di estinguersi nel momento in cui la corrente e tensione si abbassano (proprio perché tensione e corrente sono costanti).
L'eventuale induttanza causerebbe una tensione elevata nel momento dell'apertura. Ma in questo caso è totalmente trascurabile. Quella stufetta sarà più o meno da 2 kW, quindi abbiamo 10 A e 220 V, più che sufficienti per mantenere un arco di quella lunghezza.

In altri termini, sono d'accordo con la risposta di Foto Utentefpalone.
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[9] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentessormanni » 17 feb 2021, 18:01

BENE!
principalmente le cause dell'arco sono principalmente dovute a:
- ionizzazione dell'aria
- mancanza del passaggio di corrente dallo zero.

la successiva domanda è la ionizzazione da che tensione inizia ad essere pericolosa?
sicuramente posso stare tranquillo con 24 V ma se ho 100V cosa mi accade?
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[10] Re: arco elettrico in un circuito alimentato in DC

Messaggioda Foto Utentedavi82 » 17 feb 2021, 19:08

ssormanni ha scritto:la ionizzazione da che tensione inizia ad essere pericolosa?
sicuramente posso stare tranquillo con 24 V ma se ho 100V cosa mi accade?


Dipende cosa intendi per "pericolosa".

Pericolosa per pericolo di elettrocuzione? In tal caso, se le tensioni sono sotto a circa 50 V, dovresti stare tranquillo. Sopra è pericoloso.

Per la vista? Tutti sono pericolosi, emettono moltissima energia ultravioletta che rovina la retina dell'occhio. Questo è il motivo per cui quando si saldano i metalli con la saldatrice ad arco, si usano occhiali protettivi.

Pericolosa per surriscaldamento/incendio, consumo dei contatti, impossibilità di spegnimento dell'arco? Gli archi elettrici negli interruttori sono praticamente sempre indesiderati. Gli archi elettrici causano consumo dei contatti e possono causare surriscaldamento ed incendio. Questo è il motivo per cui gli interruttori devono essere utilizzati all'interno delle tensioni, correnti e tipologia (AC/DC) prevista in sede di progetto.

Pericolosa per generazione di gas nocivi? Dipende dall'applicazione: spesso l'arco genera ozono, monossido di carbonio e altro.

Pericolosa per esplosione? In atmosfera esplosiva, praticamente tutti gli archi possono innescare esplosione, anche piccolissimi. Ma qui non sono molto informato.

Magari ti è utile visitare questi:
https://en.wikipedia.org/wiki/Arc_suppression
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc
Ultima modifica di Foto Utentedavi82 il 17 feb 2021, 19:37, modificato 6 volte in totale.
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