Azionamenti Elettrici - Domande teoria e vari NB teoria

Perdite nel ferro e motori DC

Perdite nel ferro

Le perdite nel ferro per unità di volume nei nuclei magnetici di rotore e statore dipendono dalla frequenza operativa mentre sono indipendenti dalla densità di flusso nei materiali. FALSO perché le perdite nel ferro possono essere di due tipi (correnti parassite o isteresi) ed entrambe dipendono sia da f che da B.

• Eddy currents → _Pec = K_ec · f² · B_max²
• Isteresi → _Ph = K_h · f · B_maxⁿ

In un motore DC il sistema collettore-spazzole viene utilizzato per alimentare il circuito di statore. FALSO perché il collettore nei motori DC ha la funzione di convertire le grandezze da corrente alternata a corrente continua.

Motori DC e loro caratteristiche

Un motore DC con statore a PM opportunamente alimentato NON può operare nella regione a potenza costante della caratteristica T-W perché questa è la regione di deflussaggio, cosa che NON può avvenire quando ho PM.

Norme e caratteristiche operative

Secondo la norma CEI EN 60034-1, che cosa si intende per "servizio tipo 2" per i motori elettrici?

• S2 - Servizio di durata limitata | Short-time duty
• Una volta partito, il motore lavora con un carico costante per un periodo limitato durante il quale non viene raggiunto l'equilibrio termico. Il motore verrà alimentato una seconda volta quando la sua temperatura sarà scesa al livello della temperatura ambiente (sono state ripristinate le condizioni iniziali).

Caratteristiche dei materiali e loro utilizzo

Dato il carico meccanico avente la caratteristica C-W di figura, e considerando ω₁ la velocità massima operativa, la scelta ottima per l'azionamento è un azionamento in grado di erogare la coppia C₁ in regione di coppia costante fino alla velocità W₁.

La permeabilità magnetica di un materiale (μ) NON varia al variare dell'induzione magnetica (B) che lo attraversa. FALSO perché vi è una relazione tra μ e B legata da un grafico.

Litz wire viene utilizzato nella realizzazione degli avvolgimenti per applicazioni ad elevata frequenza di alimentazione in modo da diminuire le perdite in AC. VERO, il singolo conduttore viene suddiviso in un n^o di sub-conduttori molto elevato (applicazioni aerospaziali).

Al fine di ridurre le perdite nel ferro lo statore e il rotore vengono realizzati a lamierini. A parità di densità di flusso massima (Bmax) e di frequenza di variazione del flusso (f), le perdite aumentano all’aumentare della sezione del lamierino. VERO perché la formula delle perdite per correnti parassite è Pec = _{Kec · δ · f² Bmax²} / ^ρ.

Effetti e fenomeni nei conduttori

L’effetto pelle e l'effetto di prossimità causano una distribuzione NON uniforme della densità di corrente nel conduttore. Questo effetto dipende dalla geometria dei conduttori ed è indipendente dalla frequenza della sorgente di alimentazione.

Considerazioni su macchine elettriche

NB: La coppia C è direttamente proporzionale al volume della macchina elettrica e NON la potenza P!

NB: Servizio continuativo - la macchina riesce a terminare il suo transitorio termico e raggiungere la temperatura nominale per la quale è stata progettata.

NB: È conveniente progettare un motore elettrico in grado di erogare un carico costante fino alla velocità di funzionamento richiesta.

NB: Il punto di funzionamento di una macchina elettrica si trova dall'intersezione tra la curva caratteristica della coppia elettromotrice Cem e la curva caratteristica della coppia resistente Cr.

NB: Parlare di volumi (di macchine elettriche) per riferirsi alle potenze, non ha alcun senso se non vengono citate le velocità di rotazione.

NB: La differenza tra macchina sincrona e asincrona la fa la differenza di rotazione tra rotore e campo magnetico indotto.

NB: È nel traferro che avviene la trasformazione elettromagnetica.

Il nucleo statico è composto da tanti lamierini impilati tra loro al fine di interrompere le correnti parassite.

Le testate della macchina è conveniente che siano il più corte possibile in modo da ridurre al minimo la resistenza.

Le macchine con rotori con magneti permanenti sono solo sincrone.

Collettore e vantaggi dei PM

Il compito del collettore nelle macchine cc è quello di trasformare le grandezze da corrente alternata a corrente continua.

Quali sono i vantaggi di avere PM anziché (ad es.) avvolgimenti Reame?

• Il flusso fornito dai magneti è costante mentre quello fornito da un avvolgimento è modificabile perché vi è la variabilità della corrente.
• Non c'è flusso di corrente → Non c'è il termine RI² che provoca le perdite (sovr riscaldamento).
• Con i magneti permanenti si ottengono delle macchine più efficienti rispetto a quelle con avvolgimenti.
• NB: I PM, essendo generalmente dei pezzi monolitici, possono essere soggetti a correnti parassite andrebbero laminati come il nucleo statorico (magneti porzionati).

NB: La ripetibilità (tendenza di un sensore a fornire dei risultati sempre più simili tra loro man mano che facciamo le nostre misure) è un indice di qualità del sensore.

Effetto pelle e prossimità in AC

EFFETTO PELLE nei circuiti AC, ad elevate frequenze, si verifica una riduzione drastica della sezione all'interno della quale scorre la corrente. Perciò si verifica un aumento delle perdite nel rame.

NB: EFFETTO PROSSIMITÀ anche in questo caso la corrente tende a circolare solo negli strati più esterni.

• SHF => R ↑↑
• La soluzione più comune per ridurre questi effetti negativi è suddividere in tanti sub-conduttori in modo tale da ridurre la corrente che circola in ognuno di essi e perciò, di conseguenza, ridurre le perdite.
• La resistenza totale del conduttore è calcolata con il parallelo di tutte le resistenze dei singoli sub-conduttori.

Tipologie di perdite nel ferro

Le perdite nel ferro possono essere di 2 tipi:

• CORRENTI PARASSITE
• ISTERESI

Per ridurre le correnti parassite:

• Introdurre del silicio nei conduttori (aumenta resistività).
• Frazionare il nucleo ferromagnetico interponendo del materiale isolante (lamierini) al fine di interrompere i circuiti delle correnti parassite.

Quando è che un campo è soggetto ad isteresi?

• Nel caso di correnti sinusoidali ad esempio.

Circuito di eccitazione e magneti permanenti

CIRCUITO ECCITAZIONE STATORE

• Magneti permanenti
  • Flusso generato COSTANTE
  • No corrente statore
  • No perdite effetto Joule
  • Deflussaggio non possibile
• Avvolgimento
  • Φ ∝ i_s → N · i_s = R · Φ
  • Perdite Joule: P = R · i_s²
  • Deflussaggio possibile

Collettore nei motori DC

Il compito del COLLETTORE nelle macchine DC è quello di trasformare le grandezze da corrente ALTERNATA a corrente CONTINUA.

Aumentando il n° segmenti Ns, possiamo assumere la fem ≅ εmax Δε < 1% → f.e.m. costante = εmax

Aumentando il n° di PAVA POLI, a parità di dimensioni, aumenta la corrente e perciò aumenta la coppia.

Considerazioni sul calcolo della fem

NB: Nel calcolo della fem (E = K·K'_i·i_d·ω), la variabile di stato che genera fem è la posizione e non la corrente! (ω = dφ/dt)

NB: Per calcolare K', considero Legge Hopkinson Nd·i_d = R·Φ → Φ = (Nd/R) i_d = K'_i·i_d

Motori DC a campo avvolto

I motori DC a campo avvolto (eccitaz. serie) non riescono a generare coppie T_KO negative. La macchina può lavorare solo come motore e non è in grado di frenare il carico meccanico, utilizzato per ascensori!

Controllo in cascata

NB: Nel controllo in cascata, la banda passante dell’anello interno (corrente) dev’essere maggiore della banda passante dell’anello esterno (velocità)

Bi ≡ Bw

Convenzioni e valori

NB: Campo magnetico positivo se da rotore a statore. Correnti positive se entranti.

NB: Per passare da valore efficace → valore max moltiplicare per √2. E.g. I_M = √2 · I

Calcolo del campo magnetico risultante

NB: Nel calcolo del campo magnetico risultante, fare attenzione al n° di paia poli P_p

• H(θ,t) = ³/₂ H_m · cos (ωt - P_p · θ)
• Se p_p = 1 → il campo magnetico risultante è un campo magnetico sinusoidale, il cui valor max non varia nel tempo e ruota alla stessa velocità delle grandezze elettriche che alimentano le fasi. Inoltre, la pulsazione elettrica ω è la stessa con cui si alimentano le fasi.
• Se P_p > 1 → il campo magnetico risultante è un campo magnetico rotante a velocità angolare costante ω/P_p, con ampiezza ³/₂ di quella del campo realizzato con una sola fase, con periodicità differente che dipende da P_p all’interno della macchina.

Confronto tra motori PMDC e brushless

NB: La differenza tra PMDC Motors e Brushless Motors è che nei PMDC ho PM sullo statore e avvolgimenti sul rotore. Nei Brushless invece ho PM sul rotore ed avvolgimenti trifase sullo statore.

NB: Le macchine Brushless SPM (sincrone a PM) non sono adatte per impieghi ad alte velocità; per quelle applicazioni sono utilizzate le macchine Brushless IPM (PM Interni).

NB: I PM in Ferriti sono indicati per le macchine Brushless a riluttanza assistita (PM dentro le cave sul rotore).

* I PM in Samario-Cobalto sono preferibili a quelli in Neodimio-Ferro-Boro alle alte temperature.

NB: Le macchine DC Brushless sono macchine in AC in cui la Back-EMF assume un andamento trapezoidale.

NB: Il modello D-Q è utile per conoscere esattamente l'angolo da minimizzare in modo da avere corrente e Back-EMF in fase.

Trasformazioni e parametri

NB: Il procedimento per passare da un sistema tridimensionale con assi sfasati di 120° ad uno bidimensionale con assi sfasati di 90° è il seguente:

1. Da un sistema TRIFASE (sfasato 120°) si passa ad uno BIFASE (sfasato 90°) - Trasformazione Clarke
2. Si passa a grandezze COSTANTI - Trasformazione Park

NB: Scelta del parametro K per la trasf. di Clarke

• k = ²/₃ → approccio più "controllistico", mantenere le ampiezze delle grandezze elettriche mentre le potenze saranno diverse.
• K = √(²/₃) → approccio più "sistemistico", mantenere le potenze mentre le ampiezze delle grandezze saranno diverse.