Macchine Elettriche

Introduzione azionamenti elettrici

Dispositivi che consentono la movimentazione di materiali e componenti.

OPERAZIONI:

• FABBRICAZIONE DI PRODOTTI
• SPOSTAMENTO DI OGGETTI
• TRASPORTO DI BENI E PERSONE
• OPERAZIONI DI SERVIZIO ED ALTRE ATTIVITÀ (pompe, ventilazione, condizionamento)

L'energia sorgente si trasforma in energia meccanica mediante macchine (idrauliche, pneumatiche, elettriche).

CLASSIFICAZIONE AZIONAMENTI

• IDRAULICI: utilizzano lo spostamento di fluidi in pressione
• PNEUMATICI: utilizzano l'energia associata al gas in pressione, in particolare aria
• ELETTRICI: sfruttano l'energia elettrica

Azionamenti e macchine

Oltre alle macchine un azionamento comprende diversi altri componenti:

• dispositivi d'interfaccia con le sorgenti principali di energia (alimentazione, convertitore)
• componenti di misura e sensori
• sistema di controllo (logico circuitale, calcolatori)
• sistemi di comunicazione e di calcolo e le interfacce verso l'utilizzatore

Applicazioni: azionamenti idraulici e pneumatici

• Potenze elevate
• Movimento lineare senza riduttori o ingranaggi

MA

• Rendimento basso
• Regolazione complessa
• Dinamica lenta
• Costi e ingombri elevati

Azionamenti elettrici

• Potenze piccole, medie e —
• Movimento rotatorio, eventualmente con riduttori e ingranaggi, movimento lineare (con cinghie)
• Rendimento elevato
• Dinamica rapida
• Regolazione complessa
• Costi e ingombri accettabili

Le macchine elettriche sono reversibili.

La Macchina elettrica

Se il loro funzionamento →

• E. elettrica → E. meccanica

si parla di macchine elettriche rotanti:

• (motori, generatori), macchine lineari (MAGLEV)

Se il loro funzionamento →

• E. elettrica → E. elettrica

si parla di trasformatori, di potenza e di convertitori statici (nodulizzatori, chopper, inverter)

Materiali costruttivi

• Materiali passivi: costituiscono le parti strutturali della macchina (carcassa). Preoccupati di sopportare il raffreddamento.
• Materiali attivi:
  • conduttori
  • ferromagnetici
  • isolanti
  • semiconduttori (circuiti di potenza)

Materiali conduttori

Rame e alluminio

C_u => ρ_C = 0,017 μΩ·m

Al = 0,028 μΩ·m

La resistenza varia al variare della temperatura

ρ₂ = ρ₁(1 + ^θ₂-θ₁/_234,5°)

Ogni grado C° ho un incremento dello 0,4% della ρ

Perdita nei conduttori c.c.

• effetto Joule P_C = RI² = ^ρ·l/_A I² = ^ρ·l/_A(SA)²ρδ²
• perdita specifica per unità volume: P_vol = ^P_C/_V = ^ρ/_m³
• perdita specifica per unità di massa: P_mc = ^P_C/_γ = ^ρδ2/(`#w`)_m³

Perdite nell'alternata

P = R T_eff ∫_τ⁰ i²(t) dt

S sinusoidale I_eff = ^I_max/_√2

Perdite addizionali

• effetto pelle => la corrente scorre più sulla superficie che al centro

Accumulo

Rappresentato dal parametro "capacità termica specifica"

• K_ATE c_J 400 J/kg°C
• FERRO c_J 500 J/kg°C
• OLIO c_J 1500 J/kg°C

C capacità termica c.m [J/°C]

Calore accumulato: Q_t = mc dΘ - CdΘ

In definitiva

Pd = mc dΘ + (Θ - Θ_reg) CST_dt

(accumulo nella macchina trasmissione)

Energie totale persa

P = mc dΘ/d + 1/R_t Θ = C dΘ/d + G_T Θ

dΘ/d = P/C - 1/R_C Θ

Transitorio della temperatura

Θ(t) = Θ_reg + (Θ-Θ_reg)e^-t/τ

Θ_reg PRT

τ = R_tC

Tempo di riscaldamento e raffreddamento sono uguali se le condizioni o il funzionamento sono le stesse. Es. motore fermo e non funziona il tele

Quando la quantità di calore da eliminare è elevata può essere opportuno introdurre più di un circuito di raffreddamento

• PRIMARIO: a contatto diretto con la macchina
• SECONDARIO: a temperatura inferiore del primario e con esso scambiante calore

Il tipo di raffreddamento della macchina è indicato sulla targa da un codice caratterizzato dal prefisso IC:

IC _{Nd L1 N1 L2 N2}

• _Nd è un numero che rappresenta la disposizione del circuito di raffreddamento
  • 0 se radiazioni libere
  • 1, 2, 3 su turbo o canali e circuito aperto
  • 4 o 10 attraverso la superficie esterna
  • 5, 6, 7, 8 o scambiatori di calore interni o esterni alla macchina
• _L1 è una lettera che denota il tipo di fluido del circuito refrigerante primario:
  • A = aria
  • W = acqua
  • H = idrogeno
  • N = azoto
  • F = freon
  • U = olio
• _N1 è un numero che denota il metodo di circolazione del fluido primario
  • 0 = convenzione libera
  • 1 = autocircolazione (es. ventilatori collettori)
  • 5 = aspirato e indipendente incorporato
  • 6 = come 5 ma sulla macchina

Funzionamento trasformatore ideale

• A vuoto

Un trasformatore ideale a vuoto assorbe la corrente di magnetizzazione anche se i₂ = 0

• In corto circuito

i₂ >> i_m e quindi anche i₁' >> i₀. Risulta quindi

^i₂/_i1' = ^n₁/_n2

• A carico

i₂ = i₀ - i₁' = i₀ - ^n₂/_n1i₂ con i₂ = i₂n (nominale)

Funzionamento in CTO CTO

V_ccm = tensione di CTO CTO alla corrente nominale

La si può anche interpretare come la tensione da applicare per avere la corrente nominale in CTO CTO, altrimenti se applicassi quella nominale rischierei di danneggiare la macchina.

Quando metto in CTO CTO un trasformatore, la corrente attraversa solo i parametri interni (R₁, X_L1, R'₂, X'_L2) perché i₁₀<<i₁, i₂₀<<i₂.

Tensione di CTO CTO percentuale

V_cc% = ^V_ccm/_Vm ∙ 100 = ^{Z_cc I_m}/_Vm ∙ 100 = ^Z_cc/_Zm ∙ 100 = ^{Z_cc I_m I_m}/_{Vm Im} ∙ 100 =

= ^{I_cc I_m}/_Am ∙ 100 = ^A_ccm/_Am ∙ 100

Z_cc = impedenza in CTO CTO

I_cc = ^V_m/_Zcc, V_ccm = Z_cc I_m

Grafico: Asse orizzontale: [VA] KVA MVA, Asse verticale: V_cc%

Esercizio

Trasformatore monofase, A_m = 10 KVA, V_1m/_V2m = ⁴⁰⁰/₁₂₀ V

f = 50 Hz (sopprime nel bio)

Prova a vuoto V₀ = 120 V I₀ = 4 A P₀ = 75 W

Prova in CTO CTO V_cc = 48 V I_cc = 20.83 A P_cc = 500 W _{(lato AT)}