Motore Corrente Continua

 IL MOTORE ELETTRICO in Corr. Continua Motore elettrico in Corrente Continua
Il Motore in Corrente Continua ( di seguito in dicato semplicente come “motore CC) è stato il primo motore elettrico ad essere ideato e costruito. È adatto sia per piccole che per grandi potenze: da qualche W (piccoli elettrodomestici) a qualche MW (trazione elettrica ferroviaria). In generale il motore CC è composto da: uno statore (la parte fissa, solidale al supporto) cavo e vuoto al centro, da un rotore avvolto (la parte mobile) ubicato all’interno dello statore ed in asse con esso e da un collettore a lamelle installato sull’asse del rotore. L’alimentazione esterna è effettuata con una corrente continua; in particolare l’elemento che viene alimentato è il rotore. Poiché durante il funzionamento il rotore è in rotazione, l’alimentazione elettrica è resa possibile per mezzo delle spazzole: due elementi realizzati in materiale in “carbone”che vengono premuti a mezzo di molle contro le lamelle del collettore facendole in tal modo “strusciare” su di esso. Le spazzole sono ovviamente soggette ad usura e vengono periodicamente sostituite con relativa facilità. In un motore CC viene altresì imposta una corrente, anch’essa continua, all’avvolgimento di campo (avvolgimento statorico) per creare il flusso di campo magnetico all’interno della macchina. Per piccoli motori lo statore può non essere di tipo avvolto, ma avere un magnete permanente; in tal caso la corrente di eccitazione è assente. Per ottenere coppia sul rotore della macchina `e necessario rendere solidale con il rotore una o più spire percorse da corrente. Queste spire costituiscono l’avvolgimento rotorico e come già detto vengono connesse con l’alimentazione esterna per mezzo di un collettore a lamelle. Il collettore ha un certo numero di coppie di lamelle, disposte in senso assiale, fra di loro elettricamente isolate, su cui strisciano le spazzole e a cui sono collegate gli avvolgimenti del rotore. La continuità elettrica fra alimentazione e spire del rotore collegate al collettore è garantita da contatti striscianti detti spazzole (realizzate nella maggior parte dei casi in grafite). Le parti principali che compongono un motore in CC sono tre e sono di seguito descritte: •
uno statore cilindrico cavo di materiale ferromagnetico dolce massiccio, all'interno del
quale vi sono dei poli salienti realizzati con magneti permanenti, oppure con materiale
ferromagnetico su cui sono disposte delle bobine percorse da corrente continua
(avvolgimento di eccitazione o induttore);
•
un rotore di materiale ferromagnetico dolce laminato, coassiale allo statore e separato da
esso da un traferro, con cave uniformemente distribuite lungo la sua periferia esterna, nelle
quali é disposto un avvolgimento di
tipo chiuso (armatura o indotto),
connesso alle lamelle di rame di un
commutatore; nell'armatura si
verifica la conversione di energia,
attraverso dei contatti striscianti
costituiti da spazzole di grafite
pressate sul commutatore
•
un collettore a lamelle (commutatore) coassiale al rotore,
costituito da lamelle di rame isolate fra di loro da fogli di mica,
su cui sono appoggiate a pressione mediante molle delle
spazzole che consentono di collegare il circuito di armatura
rotante ad un circuito esterno fisso; commutatore e spazzole
sono le sole parti di macchina che richiedono manutenzione,
oltre ai cuscinetti.
La presenza del commutatore meccanico comporta però vari inconvenienti: • non utilizzabilità in ambienti di difficile accesso, in presenza di polveri o agenti corrosivi, e in ambienti con pericolo di incendio o di esplosione (in quanto negli istanti di commutazione si ha apertura di avvolgimenti induttivi e quindi scintille tra spazzole e collettore); • manutenzione periodica (per la sostituzione delle spazzole usurate, che in genere sono di grafite per consentire un buon contatto elettrico minimizzando gli attriti, e per la manutenzione delle lamelle in rame del commutatore usurate dallo scintillamento, fenomeno attenuabile con opportuni sistemi, ma non eliminabile); • limiti di velocità (maggiore è la velocità più forte è la pressione che bisogna esercitare sulle spazzole per mantenere un buon contatto); • limiti di tensione e di corrente; • disturbi elettrici causati dallo scintillamento, che possono causare problemi di compatibilità elettromagnetica; • costo, inerzia e peso elevati. Principio di funzionamento
Prendiamo in esame lo schema seguente suddiviso in tre posizioni, in cui la struttura fissa (statore) è costituita da due magneti permanenti e la struttura mobile (rotore) da una spira i cui estremi sono saldati ad un commutatore circolare, costituito due lamelle di rame tra loro isolate e connesse elettricamente tramite due spazzole ad un generatore di corrente continua. Con riferimento a tale schema elementare di macchina a corrente continua si nota che: •
nella posizione 1 la metà nera (bianca) della spira è in contatto, tramite lamella e
spazzola, con il morsetto negativo (positivo) della tensione di alimentazione e la corrente
che la attraversa esce dal (entra nel) commutatore;
•
nella posizione 2 la spira è cortocircuitata;
nella posizione 3 è la metà bianca (nera) della spira in contatto, tramite lamella e
spazzola, con il morsetto negativo (positivo) della tensione di alimentazione e la corrente
che la attraversa esce dal (entra nel) commutatore.
Ne consegue che con un avvolgimento rotorico costituito da più spire ed un commutatore costituito da più lamelle, l'ʹazione congiunta di spazzole e commutatore produce una configurazione spaziale delle correnti e quindi del campo magnetico rotorico praticamente invariabile durante il funzionamento. •
Con riferimento ad un motore reale se si applica una tensione costante (tensione di alimentazione) tra le spazzole la conseguente corrente continua si divide in parti uguali nelle vie interne dell'ʹavvolgimento rotorico, che è disposto in modo tale che tutti i conduttori situati da una parte dell’asse neutro risultino percorsi dalla corrente in un dato verso, mentre quelli situati dalla parte opposta dell’asse neutro sono percorsi dalla corrente in verso opposto. Ogni conduttore dell'ʹindotto quindi, a causa dell'ʹinterazione tra la corrente che lo attraversa e il flusso di statore è sollecitato da una forza (forza di Lorenz) la cui direzione è normale a quelle della corrente e del campo di eccitazione statorico e il cui verso è definito dalla regola del prodotto vettore (regola della mano destra), dando così origine ad una coppia motrice risultante che porta in rotazione il rotore. C = cost * Φ * Ia Quando l'ʹindotto ruota l'ʹazione congiunta delle spazzole e del commutatore determina una continua variazione delle connessioni tra il circuito esterno di alimentazione e le spire dell'ʹavvolgimento di armatura, tale da determinare una distribuzione spaziale delle correnti alternate rotoriche praticamente immutabile nel tempo e quindi un campo magnetico di armatura spazialmente fisso e sempre ortogonale a quello di statore pure esso spazialmente fisso, in quanto prodotto da magneti permanenti fissati sullo statore o da correnti continue circolanti in bobine disposte sui poli statorici, qualsiasi sia la velocità del rotore. Ne consegue che la coppia motrice, se si trascurano le piccole oscillazioni causate dal fenomeno della commutazione, si mantiene, in condizioni di regime stazionario, pressoché costante nel tempo. Per effetto della rotazione si induce poi nel circuito di armatura una f.c.e.m. che agisce in verso opposto alla corrente assorbita dall'ʹindotto E = cost * Φ * ω Nel funzionamento a carico il campo di armatura comporta un fenomeno di parziale smagnetizzazione del campo di eccitazione a causa della non linearità del materiale ferromagnetico; l'ʹuso di avvolgimenti compensatori disposti sulle espansioni polari rende però praticamente trascurabile tale fenomeno, consentendo quindi di poter considerare sempre il flusso di macchina costante e i campi magnetici di statore e di rotore disaccoppiati. In assenza di tali poli ausiliari infatti, al variare del carico e/o del senso di marcia e quindi della distribuzione del campo magnetico, per limitare il fenomeno dannoso dello scintillamento le spazzole dovrebbero essere continuamente ed opportunamente spostate in modo tale da far avvenire sempre la commutazione nella regione tra i poli statorici in cui il campo magnetico è nullo e quindi nel momento in cui la corrente che deve essere commutata è nulla. Modello elettrico: eccitazione in serie – eccitazione in parallelo
In questo paragrafo viene discusso il modello elettrico del motore, mettendo in evidenza come le caratteristiche fisiche del motore e le grandezze di comando del motore, tensioni e correnti, influenzano la velocità del rotore e la coppia prodotta. Modello elettrico motore in corrente continua a) eccitazione parallelo b) eccitazione serie. La coppia prodotta al rotore sarà proporzionale alle dimensioni degli avvolgimenti, alla corrente di armatura Ia che li attraversa e al campo magnetico, quindi all’intensità della corrente di campo (corrente di eccitazione): 𝑪 = 𝒌∅ ∗ 𝑰𝒂 ∗ 𝑰𝒆𝒄𝒄
In condizioni di regime, le relazioni precedenti costituiscono un sistema lineare dal quale è possibile ricavare la velocità ω di funzionamento del motore 𝝎=
𝑽 𝒂 − 𝑹 𝒂 𝑰𝒂
𝒌∅ 𝑰𝒆𝒄𝒄
Dalle ultime due relazioni si determina il legame fra la coppia prodotta dal motore e la sua velocità di rotazione 𝑽𝒂 𝒌∅ 𝑰𝒆𝒄𝒄
𝒌𝟐∅ 𝑰𝟐𝒆𝒄𝒄
𝑪=
− 𝝎
𝑹𝒂
𝑹𝒂
Da tale relazione si osserva che la velocit`a di rotazione di un motore in corrente continua può essere controllata agendo su Va mantenendo costante Iecc, oppure agendo su Iecc mantenendo costante Va. I motori CC possono essere inoltre controllati in coppia imponendo la corrente Ia che circola nell’avvolgimento di armatura, mantenendo costante la tensione di armatura Va e la corrente di campo Iecc. In questo caso la velocità di rotazione dipenderà dalla curva caratteristica del carico applicato al motore. In funzione delle diverse connessioni tra circuito statorico di eccitazione e avvolgimenti rotorici di armatura, le tipologie più frequentemente usate dei motori in corrente continua sono tre: • Motori a magneti permanenti
• Motori eccitati in parallelo
• Motori eccitati in serie
I motori a magneti permanenti sono molto usati nelle applicazioni di bassa potenza (piccoli elettrodomestici) e la loro coppia massima è comunemente limitata al 150% della coppia nominale, per impedire la smagnetizzazione dei magneti permanenti.
I motori ad eccitazione parallelo sono quelli più usati negli azionamenti a velocità variabile per la ottima regolazione di velocità ottenibile e la facilità di invertire sia velocità che coppia. I motori ad eccitazione in serie sono adatti per azionamenti che richiedono alte coppie di spunto e frequenti sovraccarichi e in cui però la coppia resistente non scende mai a valori così bassi da determinare velocità eccessive (trazione elettrica e impianti di sollevamento di carichi pesanti). Motori con eccitazione in parallelo
Nel motore in corrente continua ad eccitazione parallelo, gli avvolgimenti di campo (eccitazione statorica) e di armatura rotorica vengono alimentati da due distinti generatori. È quindi possibile comandare in modo indipendente la corrente di eccitazione che genera il campo magnetico all’interno del motore e la tensione e/o la corrente rotorica degli avvolgimenti di armatura. Sono i tipi di motori in corrente continua più diffusi in quanto permettono di regolare in modo efficace la velocità di funzionamento. Per essi vale il modello elettrico già rappresentato nelle precedenti pagine dellapresente dispensa. Come già descritto, il legame fra coppia prodotta dal motore e la sua velocità di rotazione è rappresentato dalla relazione 𝑽𝒂 𝒌∅ 𝑰𝒆𝒄𝒄
𝒌𝟐∅ 𝑰𝟐𝒆𝒄𝒄
𝑪=
− 𝝎
𝑹𝒂
𝑹𝒂
Se mediante la tensione Ve si mantiene flusso di eccitazione costante e si varia la tensione di armatura (0<Va<Van), essendo le intersezioni della caratteristica meccanica con gli assi C e ω proporzionali a Va, si ottiene una famiglia di caratteristiche meccaniche costituita da rette parallele. Le curve caratteristiche che ne derivano sono rappresentate nel piano coppia-­‐‑ω da un fascio di rette parallele; ad ognivalore dellatensione di armetura applicata, corrisponde una retta. Dalla relazione precedente si osserva che la pendenza delle curve caratteristiche dipende dalla diversa corrente di campo (corrente di eccitazione). Motori con eccitazione in serie
Nel motore in corrente continua ad eccitazione in serie, gli avvolgimenti di campo (eccitazione statorica) e di armatura rotorica vengono percorsi dalle medesime correnti. Analogamente a quanto visto nel paragrafo precedente `e possibile ottenere le relazioni: 𝑪 = 𝒌∅ ∗ 𝑰𝟐𝒂
In condizioni di regime, le relazioni precedenti costituiscono un sistema lineare dal quale è possibile ricavare la velocità ω di funzionamento del motore 𝝎=
𝑽 𝒂 − 𝑹 𝒂 𝑰𝒂
𝒌 ∅ 𝑰𝒂
Dalle ultime due relazioni si determina il legame fra la coppia prodotta dal motore e la sua velocità di rotazione 𝒌∅ 𝑽𝟐𝒆𝒄𝒄
𝑪 = 𝝎𝒌∅ + 𝑹𝒂
𝟐
Dalla relazione precedente si osserva che la coppia prodotta è massima allo spunto (a velocità nulla), e la sua intensità può essere regolata agendo sulla resistenza complessiva del circuito. In particolare agendo sulla tensione di armatura le curve caratteristiche di alzano, aumentando la resistenza del circuito le curve traslano verso sinistra. Questo tipo di regolazione `e stato utilizzato sui tram elettrici in cui la coppia allo spunto viene abbassata, per ottenere partenza dolci, per mezzo di un reostato. A sistema avviato la resistenza inserita alla partenza viene via via tolta per ridurre le perdite per effetto Joule. Questi motori possono raggiungere velocità elevate solo con carichi molto bassi, non sono adatti per il funzionamento a vuoto in quanto pu`o essere raggiunta la velocità di fuga, mentre sono adatti ad essere accoppiati con utilizzatori la cui coppia resistente cresce con la velocità, come ad esempio i mandrini per macchine utensili. Dal modello matematico del motore si constata che all'ʹavviamento, essendo la f.c.e.m. nulla, la corrente assorbita assume valori così elevati (maggiori di 20 volte In) da danneggiare il motore e le sue connessioni meccaniche (specialmente se si tratta di motori di grossa potenza e di tipo serie); è quindi necessario limitarne il valore ad esempio mediante inserzione in serie al circuito di armatura di un reostato di avviamento, che poi al crescere della velocità viene gradualmente disinserito fino a raggiungere l'ʹesclusione completa ad avviamento ultimato. La condizione ottimale è fare in modo che la corrente assorbita dal motore non superi mai il valore di sicurezza ed allo stesso tempo la coppia sviluppata dal motore rimanga la più alta possibile. Nelle applicazioni in cui vengono usati più motori, come nelle locomotive, i motori possono essere connessi in serie all'ʹavviamento e in parallelo durante il funzionamento. Per poter regolare la velocità di una locomotiva di tipo tradizionale si sfrutta il fatto che ci sono più motori installati, presenti sempre in numero pari, normalmente 2 per carrello, che possono essere collegati fra di loro in vari modi, ne cito i due principali: serie e parallelo. Collegamento in serie dei motori: tutti i motori sono collegati con i morsetti consecutivi (la corrente che esce da un motore entra in un altro e via dicendo) per cui la tensione di linea (sempre pari a 3000 Volt corrente continua) si distribuisce equamente ai loro morsetti; i motori devono però essere uguali e collegati allo stesso carico meccanico: è il nostro caso. collegamento in parallelo: tutti i motori hanno i morsetti di alimentazione direttamente collegati alla linea, quindi la tensione con cui sono alimentati è maggiore di quella che avrebbero se fossero messi in serie. Pertanto le locomotive sono smpre provviste di tanti motori e si possono permettere combinazioni intermedie e quindi potenze e velocità intermedie. Il reostato d'ʹavviamento (una grossa resistenza elettrica variabile fatta da più sezioni di resistenze) si può paragonare grosso modo ad una enorme "ʺfrizione elettrica"ʺ che si esclude (manualmente o in automatico) più o meno velocemente a seconda della forza che devono erogare i motori della locomotiva durante l'ʹavviamento del treno; questo elemento è necessario perchè i motori elettrici quando sono fermi sono dei cortocircuiti e non possono venire collegati direttamente alla linea se non attraverso un reostato limitatore di corrente che si esclude del tutto solamente quando i motori acquistano una certa velocità, dipendente dalla tensione applicata ai loro morsetti (e qui torna il discorso serie -­‐‑ parallelo) e dalla corrente assorbita. Una volta escluso del tutto il reostato la corrente decresce molto rapidamente man mano che aumenta la velocità del treno come avviene con le frizioni meccaniche; il reostato è generalmente installato sul tetto della locomativa ed è raffreddato a mezzo di ventilazione forzata, ma deve comunque essere usato per un tempo limitato, massimo alcuni minuti, altrimenti si surriscalda e fonde. Se si usassero solo le variazioni (combinazioni) dei collegamenti dei motori si avrebbero pochissime velocità sfruttabili, da due a quattro, e la potenza nominale potrebbe essere erogata ad una sola velocità, quella in cui i motori ricevono la piena tensione (collegamento in parallelo), la cosa è molto limitante ed allora per disporre di maggiori possibilità di regolazione e soprattutto per sfruttare la potenza nominale a diverse velocità si ricorre agli "ʺshunt"ʺ. Gli "ʺShunt"ʺ (il termine significa più o meno "ʺdeviatori"ʺ e servono per indebolire il campo elettrico induttore dei motori; sono resistenze variabili collegate al circuito di eccitazione. Si possono paragonare grosso modo ad un "ʺcambio marce elettrico"ʺ e si usano per fare in modo che i motori, una volta escluso il reostato d'ʹavviamento, continuino ad assorbire corrente e quindi ad erogare forza, la spiegazione è un pò approssimativa ma dà l'ʹidea della loro funzione; in genere i campi dei motori si indeboliscono per salti graduali (da uno solo nella E636 a 5 per le E646,E656,E444R ed diverse E424 ) , quindi più ce ne sono e maggiori sono le "ʺmarce"ʺ disponibili e maggiore è il campo di velocità in cui è sfruttabile la potenza nominale della loco, si dice che la loco è più "ʺelastica"ʺ.