Appunti Dispositivi elettrici industriali

I

La corrente varierà in base alle caratteristiche del carico, cioè in funzione della coppia

as

resistente che il carico esercita sull’asse della macchina.

I

La corrente magnetizzante invece rimane pressoché costante.

0

Coppia di spunto, (ω =0, s=1)

r

Allo spunto la macchina è alimentata, ma non ancora in movimento. Non è una condizione di

regime, ma si può pensare tale se si immagina di bloccare (frenare) il rotore per un tempo

sufficiente a stabilire un regime elettrico (s=1).

R ’/s assume il più piccolo valore, quindi l’impedenza sul rotore è anch’essa la minima. Di

r

conseguenza la corrente di rotore e quindi di statore risultano le massime possibili.

- La coppia allo spunto è diversa da zero (macchina autoavviante).

- La velocità è nulla e così la potenza meccanica convertita.

Coppia al sincronismo, (ω =ω , s=0)

r e

In condizioni di perfetto sincronismo la macchina è alimentata ed il rotore ruota alla stessa

velocità del campo magnetico rotante (massima velocità di rotazione nel funzionamento da

motore).

Funzionamento nominale, (ω <ω , 0<s<1)

r e

In questo caso la macchina opera in una condizione intermedia alle precedenti, con velocità

angolare inferiore ma prossima a quella di sincronismo (s<4%).

Funzionamento da generatore, (ω >ω , s<0)

r e

La velocità del rotore supera quella di sincronismo solo se esso è trascinato da un motore

primo. La coppia è negativa (s<0) mentre la velocità di rotazione continua ad avere la stessa

w > 0.

direzione di rotazione r

In queste condizioni si ha un trasferimento di potenza verso la rete di alimentazione della

macchina. La macchina deve essere comunque collegata in rete o magnetizzata attraverso

altre sorgenti (es. condensatori) per operare da generatore.

Il funzionamento da generatore è meno comune per la macchina asincrona.

Funzionamento da freno o stufa, (ω <0, s1)

r

La velocità del rotore è negativa, cioè opposta a quella del campo magnetico rotante. La

macchina assorbe potenza meccanica.

In queste condizioni si ha anche un assorbimento di potenza dalla rete di alimentazione. La

macchina assorbe anche potenza elettrica.

La somma delle potenze elettrica e meccanica viene dissipata in calore (freno).

Caratteristica meccanica

La caratteristica meccanica è la relazione tra la coppia elettromagnetica (C ) e la velocità

e

angolare del rotore (ω ), o equivalentemente, lo scorrimento (s). È rappresentata

r

graficamente come una curva che varia in funzione del regime operativo.

La curva della caratteristica meccanica viene suddivisa in diverse regioni operative:

- Regime da Motore (0<s<1).

La macchina opera come motore elettrico, lo scorrimento è positivo, ma inferiore a 1.

La coppia elettromagnetica è positiva e aumenta linearmente per bassi valori di s, raggiungendo

un massimo (C ) a uno scorrimento specifico (S ), per poi decrescere.

M M

- Regime da Generatore (-1<s<0)

Il rotore supera la velocità sincrona (ω >ω ).

r s

La coppia elettromagnetica diventa negativa, indicando un trasferimento di potenza

dalla macchina alla rete. Meno comune rispetto al regime da motore.

- Regime da Freno (s<−1)

La macchina funziona in modalità dissipativa.

Assorbe energia sia dalla rete che da input meccanici, dissipandola in calore.

La coppia è positiva ma limitata, e il comportamento del motore non è efficiente.

- Regime da Freno(s>1)

La coppia prodotta dalla macchina è molto limitata, la macchina funziona da freno:

(C >0 e ω <0).

e r

Il valore massimo di coppia verrà indicato con C ed il corrispondente valore di scorrimento

M

con S .

M

Punto di lavoro a regime

- Il punto di lavoro si colloca nella regione della caratteristica lineare a pendenza negativa.

- La velocità è prossima a quella di sincronismo e lo scorrimento prossimo a 0. Valori tipici di

scorrimento: 0,01-0,05 (1-5%).

- Una pendenza ripida assicura che le variazioni di velocità con il carico siano contenute.

- In questa regione il funzionamento è meccanicamente stabile ed il rendimento elevato.

- Punti di lavoro a sinistra del valore di coppia massima sarebbero energeticamente

insostenibili (vedi andamento della corrente).

- La coppia di spunto deve essere superiore alla coppia resistente a velocità nulla

Un aspetto importante della macchina è l’avviamento; per ω =0 si ha una coppia non nulla

r

detta coppia di spunto C ; se quest’ultimo valore di coppia risulta maggiore della coppia

es

resistente C il rotore accelera fino a raggiungere l’equilibrio con il valore di C applicato

r r

all’asse del rotore. C > C

Dunque la macchina si avvia solo se es r

C : Coppia nominale durante il funzionamento nominale ad una potenza nominale Pn ed

en

una velocità nominale n . A vuoto, la coppia è molto bassa e copre l’attrito interno. Quando il

n

motore è caricato, la sua velocità diminuisce leggermente del valore di scorrimento s e la

coppia aumenta. Un motore standard deve essere in grado di sviluppare la coppia nominale

in condizioni di funzionamento continuo senza superare il proprio limite di temperatura. In

alcuni modi operativi la coppia nominale può anche essere superata di un determinato

valore, se il limite di temperatura non viene oltrepassato, per l’intera gamma operativa.

C Coppia massima all’avviamento: Si tratta della coppia massima che il motore è in

M

grado di sviluppare. Se la potenza viene aumentata oltre il carico nominale P , lo

n

scorrimento s continua ad aumentare, la velocità ω diminuisce ed il motore sviluppa una

r

coppia maggiore. Tale valore può essere aumentato fino ad un valore massimo C , oltre il

M

quale il motore non riesce più a controbilanciare la coppia resistente. Superato il valore di C M

la sua velocità scende improvvisamente provocando l’arresto del rotore o l’inversione di

velocità.

In conformità alle norme, la coppia massima all’avviamento deve essere C ≥1,6 C e deve

M en

risultare possibile sovraccaricare il motore per almeno 15 secondi con questo valore alla

tensione e alla frequenza nominali. I dati indicati dal costruttore possono presentare una

tolleranza fino a -10%. Nella maggior parte dei motori la coppia massima all’avviamento è

significativamente maggiore e normalmente raggiunge valori pari a C = 2...3,5 C .

M en

Pertanto, i motori a induzione sono particolarmente indicati per carichi intermittenti,

ammesso che il calore in eccesso possa essere dissipato.

Azionamento a Velocità Variabile

Se si fanno variare contemporaneamente ed in maniera proporzionale l’ampiezza e la

frequenza della tensione di statore si mantiene costante l’ampiezza del flusso. In tali

condizioni al variare della frequenza, e quindi della velocità di sincronismo, le caratteristiche

di coppia ‘traslano’ mantenendosi parallele. Tale tecnica di regolazione è detta a V/f costante

o a coppia costante ed è una regolazione di tipo scalare in quanto si interviene solo

sull’ampiezza e la frequenza della tensione (Regolazione a coppia costante).

A velocità nominale la macchina è alimentata a tensione e frequenza nominali. Se si vuole

operare a velocità superiori al valore nominale è necessario aumentare ulteriormente la

frequenza, ma la tensione rimane costante perché non può superare il valore nominale. Ciò

causa una diminuzione dell’ampiezza del flusso in maniera inversamente proporzionale

all’incremento di frequenza. Si può dimostrare che in tali condizioni la potenza meccanica

generata dalla macchina rimane idealmente costante all’aumentare della frequenza e, di

conseguenza, della velocità. Pertanto la coppia diminuisce in maniera inversamente proporzionale

all’incremento di frequenza, mentre la coppia massima diminuisce in ragione

dell’inverso del quadrato dell’incremento di frequenza. Il limite superiore della zona di

regolazione a potenza costante è dato dal punto in cui la coppia nominale raggiunge il valore

della coppia massima (Regolazione a potenza costante).

Equazione di equilibrio meccanico

-INVERTER TRIFASE

L’inverter trifase è un dispositivo elettronico utilizzato per convertire una tensione continua (DC) in

una tensione alternata (AC) trifase. È una componente fondamentale in molte applicazioni

industriali, tra cui il controllo dei motori elettrici, l’alimentazione di impianti fotovoltaici, e

l’integrazione di fonti rinnovabili nei sistemi di distribuzione elettrica.

Funzionamento di base

L’inverter trifase è progettato per generare tre onde sinusoidali sfasate di 120^\circ tra loro,

corrispondenti alle tre fasi di un sistema trifase. Questo processo è realizzato mediante

un’architettura che utilizza componenti elettronici di potenza, come transistor IGBT (Insulated Gate

Bipolar Transistor) o MOSFET, e tecniche di modulazione per controllare la forma d’onda.

Componenti principali

1.Convertitore DC-DC (opzionale):

Se la tensione continua in ingresso non è suf cientemente alta, viene utilizzato un convertitore

step-up per elevarla al livello necessario per l’uscita trifase.

2.Ponte a H trifase:

È composto da sei dispositivi a semiconduttore (ad esempio IGBT o MOSFET) organizzati in tre

rami (uno per ogni fase). Ogni ramo comprende due transistor che si alternano per creare l’onda

alternata.

3.Filtro di uscita:

Spesso si utilizza un ltro LC (induttanza-capacità) per attenuare le componenti armoniche e

produrre un’onda sinusoidale più pura.

4.Controller:

Un microcontrollore o un DSP (Digital Signal Processor) regola i segnali di comando ai transistor

tramite tecniche di modulazione, come la PWM (Pulse Width Modulation).

Schema di funzionamento

• Ogni fase viene generata alternando il collegamento del carico ai terminali positivo e negativo

della sorgente DC.

• I transistor si attivano e disattivano a velocità elevate secondo una sequenza determinata,

generando un’onda quadra o una forma d’onda modulata.

• Tramite la tecnica PWM, la larghezza degli impulsi viene modulata per approssimare una forma

sinusoidale.

Tecniche di modulazione

La qualità dell’onda sinusoidale trifase generata dipende dalla tecnica di modulazione utilizzata. Le

principali tecniche sono:

1. PWM sinusoidale (SPWM):

Confronta una sinusoide di riferimento con un&