AIE - Applicazioni industriali elettriche

TIPO DI FUNZIONAMENTO MOTORE/GENERATORE:

♠ Se la coppia diventa negativa? Diventa generatore.

♠ Cosa è necessario affinchè diventi generatore? S<0 e quindi serve

un motore primo che aumenta la velocità, del rotore, nella sincrona

invece non serve velocità ma coppia.

Praticamente si avvia come un motore e poi aumentando la velocità

del rotore raggiungo s=0 quindi la stessa velocità e poi aumentando

entro in generatore. La corrente dello statore continua a

magnetizzare e riesce a generare (forse).

Se la velocità del rotore è < della velocità del campo magnetico

funzionamento da motore:

: <

Aumentiamo la frequenza e quindi la velocità di rotazione del

campo magnetico indotto dallo statore e quindi il rotore cerca di

seguirlo (per diminuire la variazione di flusso concatenato che

aumenta con lo scorrimento) con una coppia elettro magnetica:

E quindi converte la potenza elettrica in potenza meccanica.

In pratica il motore cerca sempre di uguagliare la coppia meccanica

alla coppia meccanica resistente perché questa condizione

rappresenta il fatto che il rotore non vuole far aumentare troppo lo

scorrimento che è causa proprio di questa coppia meccanica

resistente.

In caso contrario funziona da generatore:

Il motore primo gira per questioni esterne e noi diminuiamo la

frequenza affinchè il campo elettro magnetico rotante dello statore

abbia velocità di rotazione inferiore. Questo genera grande flusso

concatenato che induce fem e correnti negli avvolgimenti statorici e

dunque ricarica.

In condizioni di normale funzionamento, la macchina lavora a

velocità pressochè costanti e prossime alla velocità di sincronismo

(s=0). Dato che lo scorrimento è di norma assai piccolo e varia poco

al variare delle condizioni di carico. Talvolta è tuttavia necessario

poter variare la velocità di rotazione: in quasi tutte le applicazioni

ciò si ottiene variando la frequenza di alimentazione.

Dunque la velocità della macchina si regola con la frequenza grazie

ad un inverter o ad un convertitore elettronico di potenza che

aumenta la frequenza, aumentano così il numero di giri

60

( )

= 1 − = (1 − )

Le macchine asincrone necessitano della corrente magnetizzante

quindi nel funzionamento da generatore, la macchina deve essere

collegata ad una rete elettrica esterna in grado di sostenere una

corrente magnetizzante (o un condensatore ma raro)

A prescindere da se funziona da motore o da generatore stendiamo

le seguenti considerazioni ed analisi:

Fase di avviamento (rotore fermo):

(!) Quando avviamo la macchina, essendo fermo il rotore, per poco

è come se fosse una prova di corto circuito quindi se si usa la

tensione nominale circola una corrente altissima che può

danneggiare gli isolanti. (Vedi manovra stella triangolo)

All’istante in cui un sistema trifase equilibrato di correnti è impresso

nelle fasi dell’avvolgimento di statore (i.e., nell’induttore) si produce

un campo magnetico rotante che induce una f.e.m. sia nelle fasi

dell’avvolgimento di statore che nelle fasi dell’avvolgimento di

rotore A vuoto

Se gli avvolgimenti del rotore sono lasciati aperti si comporta come

un trasformatore trifase a vuoto.

L’avvolgimento statorico assorbe una «corrente a vuoto» che è

costituita da due componenti tra loro in quadratura di fase, una

necessaria a produrre il campo magnetico rotante (i.e., corrente

magnetizzante), l’altra relativa alle perdite di potenza che si

determinano nel circuito magnetico della macchina Ia.

In cortocircuito

Se i terminali dell’avvolgimento rotorico sono chiusi in corto circuito

le f.e.m. indotte nell’avvolgimento rotorico fanno circolare un

sistema equilibrato di correnti nell’avvolgimento rotorico che,

interagendo con il campo magnetico rotante prodotto

dall’induttore, determina la coppia elettromagnetica che, agendo

per ridurre la variazione del flusso concatenato con l’avvolgimento

indotto, trascina il rotore fino a alla velocità Ωr in cui si determina

l’equilibrio meccanico tra la coppia elettromagnetica e la coppia

resistente presente all’albero meccanico della macchina.

Anche le correnti rotoriche determinano un campo magnetico

rotante che costituisce la «reazione di indotto»

cioè un campo magnetico rotante «sincrono» (ma sfasato) con il

campo magnetico rotante prodotto dall’avvolgimento di statore.

IMP(!)

Il campo magnetico gira più velocemente del rotore poichè deve

esserci flusso concatenato variabile che si concatena con le sbarre

del rotore nelle quali scorre corrente.

A questa velocità corrisponde uno scorrimento:

−

−

= =

E le correnti nel rotore hanno pulsazione: s▪ω

Gli scorrimenti devono essere < 10% altrimenti hai tante perdite nel

rotore della macchina per effetto Joule:

Sia la fem indotta che la reattanza rotorica Xr dipendono dallo

scorrimento. X=s*Xr per s=1

Quindi maggiore è la velocità relativa, maggiore è lo slip, maggiore è

la frequenza e quindi aumenta la fem indotta e quindi aumenta la

corrente e quindi aumenta la coppia elettromagnetica volta a

ridurre lo scorrimento.

Quindi il principio di funzionamento il rotore ha un funzionamento

passivo: Su questa struttura rotorica composta da materiale

ferromagnetico a lamierini, pongo un avvolgimento in ogni cava.

Quando si crea un campo magnetico rotante nel traferro, in questi

conduttori dello statore vengono indotte fem che generano una

corrente. Queste correnti interagendo con il campo producono delle

forze tangenziali dalle quali nasce la coppia.

Definisco un modello rappresentativo del funzionamento della

MAT a regime permanente (rotazione del rotore avente

scorrimento rispetto allo statore) dove tutte le grandezze sono

isofrequenziali:

Dato che la frequenza rotorica e statorica sono a diversa frequenza

= ∙

in quanto non possono entrare in relazione, dobbiamo

renderle isofrequenziali, per farlo, nello studio del modello facciamo

delle supposizioni che ci permettono di semplificare il circuito

escludendo la dipendenza dalla frequenza spostando i suoi effetti

sulla resistenza che rappresenta il carico, sotto forma di

scorrimento.

♠ Cosa rappresenta nello specifico il bipolo in derivazione?

Perdite nel ferro.

L’impedenza Z0 è ancora meno trascurabile rispetto ai trasformatori

a causa del traferro più grande che aumenta la riluttanza e quindi la

corrente di magnetizzazione nelle MAT è maggiore che nei

trasformatori.

Se conosco dal problema Xs e Xsr utilizzo il seguente modello (Caso

rarissimo):

La resistenza fittizia di carico: Rsr indica che le condizioni di carico

dell’albero meccanico sono funzione dello scorrimento.

Se invece non le conosco (caso più frequente e ammissibile), posso

effettuare una semplificazione ulteriore del modello portando le

grandezze dello statore sul rotore:

=

Grazie al rapporto di trasformazione:

Determino i parametri del nuovo circuito facendo delle prove e

misurando sui 3 terminali della morsettiera con dei wattmetri:

Per un collegamento di fasi dello statore a stella si ha una resistenza

molto più piccola di un collegamento a triangolo:

3 3

∑ ∑

=1 =1

= < =

6 2

Prova a vuoto:

Statore alimentato con tensione e corrente nominali e rotore gira

senza carico meccanico.

In questa condizione si verifica che la coppia elettromagnetica

prodotta è in equilibrio con la coppia resistente presente sull'albero

dovuta ai piccoli attriti meccanici e fluidodinamici.

SE collego un carico meccanico aumenta la coppia resistente e

quindi la coppia magnetica da fornire deve essere maggiore.

Quindi la corrente sarà proporzionale al carico meccanico.

Maggiore è la corrente maggiore è la fem indotta che dipende dallo

slip e quindi maggiore è lo slip e maggiore è la fem indotta

nell'avvolgimento rotorico.

La potenza assorbita dalla macchina «a vuoto» può ritenersi pari alle

perdite nel circuito magnetico in quanto tutta la corrente serve per

magnetizzare il nucleo e per l’effetto Joule.

♠ Quindi quando scollego il motore primo persiste una coppia

resistente che rallenta istantaneamente il rotore a causa delle

perdite nel ferro.

Senza carico meccanico s→0 quindi I trascurabili.

r

Quindi I =I +I

s a μ

Quindi P =P

0 Fe

Misuro in inserzione Aron (?come?) e ricavo:

2

3

=

0

,

0

=

0

0

= ∙

0 0 0

Prova a rotore bloccato:

La tensione dello statore (tensione a rotore bloccato) sono tali che

inducano nel rotore le correnti nominali. Dunque sono trascurabili

corrente e potenza della parte del circuito magnetico. Posso

rimuovere l’impedenza Z0!

s=1 e dunque la resistenza fittizia di carico è nulla→cortocircuito.

La potenza a rotore bloccato coincide con le perdite di potenza per

effetto joule causati dalla corrente nominale che scorre negli

avvolgimenti di statore e rotore:

n2

P =P +P =3(R +R )I

rb js,n jr,n s sr s,n2

Q =(X +X )=X =Q /3I

rb s sr rb rb

Prova di rallentamento a terminali aperti:

Serve per valutare i valori di Xs e Xsr

In molti casi è lecito considerare: X =X =X /2

s sr rb

Calcolo della potenza assorbita

Psincr è la potenza trasmessa al rotore, la parte 1-s viene trasmessa

al motore mentre la parte s viene dispersa per effetto joule.

♠ Coppia elettromagnetica MAT

La macchina asincrona trifase è autoavviante purchè il carico che

deve eguagliare sia inferiore della sua coppia di avviamento.

♠Conviene sempre un rotore a doppia gabbia o un reostato

d’avviamento per ridurre la corrente in fase di avviamento.

Avviamento stella triangolo:

Per le macchine di piccola potenza, è molto utilizzato un dispositivo

detto commutatore che consente l’avviamento della macchina con

le fasi di alimentazione collegate a stella così da non avere una

corrente troppo elevata all’istante iniziale e che poi commuta il

collegamento in un collegamento a triangolo il quale