Oggetto: Tesina per diploma di elettrotecnica
Argomento trattato: Macchina in corrente continua
Materia: Elettrotecnica
Nome: Alessandro Severi
Classe: V
Sezione: Ael
Macchina CC
Struttura della macchina in C.C
Tipi di eccitazioni
Dinamo
Principio di funzionamento
Funzionamento a vuoto
Espressione della f.e.m a vuoto
Funzionamento a carico, la reazione d’indotto
La commutazione (poli ausiliari e avvolgimenti compensatori)
Curve caratteristiche (Caratteristica esterna della dinamo)
Bilancio delle potenze
Rendimento
Motore
Macchina in
corrente
continua:
Macchina: 1)Struttura della macchina 2)Tipi di eccitazione
Il generatore: Funzionamento della macchina come
generatore in c.c. (dinamo). 1)Principio di funzionamento 2) funzionamento a
vuoto 3)Funzione a carico, la reazione d’indotto 4)La commutazione 5)Curve
caratteristiche della dinamo 6)Bilancio delle potenze 7)Rendimento
Il motore:
Breve illustrazione del funzionamento della macchina
come motore in c.c. 1)Basi del motore 2)Parti fondamentali e funzionamento
3)motore a magneti permanenti 4)Motore con statore a filo avvolto 5)motore
universale
Macchina a corrente continua: Le macchine
elettriche generatrici, si basano tutte sul fenomeno
dell’induzione elettromagnetica. Esse
comprendono sempre, un sistema induttore
(sistema destinato a produrre un campo
magnetico) e un sistema indotto (sistema che
subisce il campo magnetico)
Nei generatori in corrente continua l’indotto è una
parte mobile e l’induttore è un a parte fissa, questo
fa si che si possa poi generare una f.e.m. indotta.
La macchina in corrente continua si può ridurre ad
un sistema di conduttori rettilinei, disposti lungo le
un cilindro ruotante con velocità costante in un
campo magnetico. Quando uno dei conduttori,
taglia le linee di induzione di un campo uniforme,
con velocità costante esso diviene sede di una
f.e.m. indotta ( E = B l Ω )
Sistema induttore delle macchine a corrente continua
Struttura della macchina C.C
Le parti che principalmente costituiscono la macchina in c.c. sono:
Rotore: è montato sull’albero in modo da ruotare con esso, è di forma cilindrica. Comprende: un
nucleo magnetico laminato dotato di cave, un avvolgimento elettrico (indotto) distribuito nelle
cave, e il collettore a lamelle, collegato elettricamente all’avvolgimento indotto
Statore: è la parte fissa della macchina e comprende il nucleo magnetico e l’avvolgimento di
eccitazione(detto induttore. E’ alimentato in corrente continua e ha il compito di creare il campo
magnetico induttore)
Albero: Nel funzionamento da motore l’albero è connesso al carico meccanico, mentre nel
funzionamento da generatore, l’albero è collegato al motore primo, da cui riceve potenza meccanica
Rivestimento esterno: formato in parte dallo statore, e da vari altri elementi (piedi per il
fissaggio, scatola dei contatti ecc.)
Sistema di raffreddamento: Presente nelle macchine di elevata potenza, e di struttura chiusa
Nucleo magnetico statorico: è costituito da un cilindro cavo, all’interno dei quali vi sono i poli. Ha
una duplice funzione, meccanica e magnetica, per questa ragione il materiale impiegato nella sua
costruzione deve avere buone caratteristiche di resistività meccaniche, e di permeabilità magnetica.
Dato che il flusso magnetico che interessa lo statore è costante nel tempo, non si verificano
fenomeni di isteresi magnetica e circolazione di correnti parassite; per questo motivo la costruzione
dello statore viene fatta con materiali ferromagnetici massicci.
I poli induttori sono fissati alla parte interna della carcassa e sono costituiti da un nucleo polare e
da una espansione polare. Attorno ad ogni nucleo è avvolta una bobina di campo. Il flusso del polo
è anch’esso costante se non viene variata la corrente di eccitazione, e quindi può essere costituito
da materiale ferromagnetico massiccio. Solitamente però l’espansione polare viene sempre
laminata a causa della variazione di flusso dovuta all’alternanza dente cava.
Nucleo magnetico rotorico: Ha una forma cilindrica, e ha il compito di consentire la chiusura delle
linee di flusso e di alloggiare i conduttori dell’avvolgimento rotorico (detto anche avvolgimento
d’indotto o di armatura) all’interno delle apposite cave. A causa della rotazione il nucleo rotorico è
percorso da un flusso magnetico rapidamente variabile nel tempo, e quindi, è soggetto a fenomeni
di isteresi magnetica e di circolazione di correnti parassite. Per questa ragione viene costruito in
lamierini ferromagnetici
Circuito indotto del generatore in c.c.: I conduttori distribuiti lungo le generatrici del cilindro, e opportunamente
collegati tra loro, costituiscono l’avvolgimento indotto o armatura della macchina.
Avvolgimento indotto( o di armatura): è distribuito nelle cave rotoriche e, portato in rotazione dal rotore, diventa
sede di tensioni indotte alternate che costituiscono: le f..e.m. nel funzionamento da generatore, e le forze contro
elettromotrici (f.c.e.m) quando la macchina funziona da motore.
Avvolgimento indotto ad anello: Su una periferica di un anello di ferro distribuiamo uniformemente 12 conduttori
rettilinei, e li colleghiamo tra loro, in modo che si vengano a formare 12 spire, avvolte uniformemente sull’anello
con un lato sulla generatrice interna, e l’altro su quella esterna. I conduttori esterni durante la rotazione tagliano le
linee di induzione del campo induttore, diventando sede di altrettante f.e.m. indotte. Invece nei conduttori interni,
non si genera alcuna f.e.m. indotta. I conduttori interni vengono anche chiamati conduttori inattivi, ed hanno come
unico scopo, collegare fra loro i conduttori attivi disposti l’ungo le generatrici esterne dell’anello.
Avvolgimento induttore: Detto anche avvolgimento di campo, l’avvolgimento induttore, ha il
compito di creare il campo magnetico principale della macchina. In base al tipo di alimentazione
adottata per il circuito di eccitazione, le macchine a corrente continua si dividono in due categorie:
Macchine con eccitazione indipendente
Macchine autoeccitate.
I conduttori esterni durante la rotazione tagliano le linee di induzione del campo
induttore, diventando sede di altrettante f.e.m. indotte. Invece nei conduttori interni,
non si genera alcuna f.e.m. indotta. I conduttori interni vengono anche chiamati
conduttori inattivi, ed hanno come unico scopo, collegare fra loro i conduttori attivi
disposti l’ungo le generatrici esterne dell’anello.
1) Eccitazione indipendente: gli avvolgimenti che creano le
polarità (2 poli, 4, 6 poli o più) sono alimentati da una sorgente in
corrente continua separata dal circuito di armatura della macchina.
Si tratta di molte spire di piccola sezione, e quindi di resistenza
non trascurabile: la costante di tempo dell’avvolgimento induttore τ =
Le/Re è piuttosto elevata, a causa della presenza del ferro e
dell’elevato numero di spire (fig. 2).
La variazione della corrente di eccitazione e, conseguentemente,
del flusso generato, avviene mediante il reostato di campo Rc o
direttamente variando il modulo della tensione di alimentazione (ad
esempio mediante un circuito convertitore ad SCR).
Macchine autoeccitate: La potenza necessaria per
l’eccitazione è fornita dalla macchina stessa e i due
avvolgimenti, induttore e indotto, sono collegati fra loro,
con una di queste modalità:
1)Eccitazione derivata: la sua alimentazione è
prelevata direttamente ai capi delle spazzole della
macchina (in derivazione alle spazzole). All’avvio i
conduttori di indotto che tagliano il pur debole flusso
dovuto al magnetismo residuo sono sede di f.e.m. e
quindi di corrente indotta, che si autoesalta e rinforza
man mano il flusso stesso, fino a raggiungere il valore
di f.e.m. che compete alla velocità di rotazione e alla
condizione di saturazione, imposta indirettamente dal
valore della resistenza complessiva del circuito di
eccitazione e quindi dalla corrente relativa.
Figura 2) Dinamo con eccitazione indipendente
Figura 3) Eccitazione in derivazione, con il
reostato di campo Rc posto in serie.
2)Eccitazione in serie: il circuito di eccitazione e quello di armatura
sono posti in serie e quindi sono percorsi dalla stessa corrente. Pertanto
qui occorrono poche spire per la produzione della tensione magnetica, ma
con sezione che sopporti tutta la corrente del carico alimentato dalla
dinamo (fig.4)
La variazione delle amperspire avviene di solito mediante un reostato
di campo posto in parallelo all’eccitazione (con alta resistenza del reostato
di campo inserita, si ha maggior corrente di eccitazione e quindi maggior
flusso prodotto. La macchina si può autoeccitare solamente con circuito
chiuso su un utilizzatore Ru.
Figura 4) Eccitazione in serie
3)Eccitazione composta: coesistono sia un circuito di
eccitazione in serie che in parallelo, distinti fra loro. Quello di
fig.5 è detto a corta derivazione, per distinguerlo dalla lunga
derivazione, in cui un capo dell’eccitazione in parallelo è
derivato all’uscita di quello in serie.
Figura 5) Eccitazione composta a corta derivazione
Macchina in corrente continua
Dinamo
Sulla parte fissa della macchina, costituita da un anello di acciaio o ghisa,
sono montati i poli, il cui flusso è prodotto da appositi avvolgimenti detti di
eccitazione.
• La corrente di eccitazione è una corrente continua, il cui valore può essere
variato per modificare il flusso prodotto dalle espansioni polari.
• L’indotto o armatura, è costituito dai conduttori, disposti generalmente in
matasse.
• Il collettore è formato da lamelle in rame, isolate tra loro. Il collettore viene
messo sul supporto rotante e, mediante delle forcelle ad esso collegate, si
esegue la saldatura fra l’avvolgimento indotto e il collettore stesso.
• L’albero e il circuito magnetico di indotto vengono laminati per poter ridurre le
correnti parassite conseguenti al taglio del flusso.
• La carcassa dello statore non viene laminata perchè non è sottoposta a
variazioni, essendo costante il flusso di eccitazione.
In realtà viene laminata solo la scarpa polare, sottoposta a una continua e
rapida variazione dovuta all’alternanza dente-cava.
Una semplice costruzione di dinamo,
costruttivamente identica ad un motore
DC
Dinamo
Principio di funzionamento
La dinamo è una macchina elettrica rotante, che
converte l’energia meccanica, ricevuta da un motore
di trascinamento, in energia elettrica, con tensione e
corrente unidirezionali e possibilmente costanti nel
tempo. La macchina, può passare con continuità
dalla funzione di motore a quella di generatore.
Per comprendere il principio di funzionamento della
macchina generatrice di corrente continua, si
esamini la fig.1, che schematizza la generazione di
f.e.m. in una spira che ruota in un campo
magnetico. Fra gli estremi della spira, saldati a due
anelli rotanti con la spira stessa, è disponibile una
f.e.m. alternata, che riteniamo sinusoidale. La f.e.m.
è resa disponibile ai capi delle spazzole che
strisciano sui due anelli. Se Ω è la velocità di
rotazione costante della spira, velocità che viene
imposta per esempio da un motore primo, e se si
indica con R il raggio del cilindro rotante e l è la
lunghezza del lato attivo della spira, l’ampiezza della
tensione sinusoidale generata da un lato attivo è:
EM = B l Ω R
Figura 1) Ai capi della spira rotante a
velocità costante, che taglia le linee del
campo di induzione B, nasce una f.e.m.
di tipo alternativo sinusoidale. E’ il
principio del generatore di c.a.
Come ottenere una sorgente di tensione
unidirezionale e costante:
Il problema fu risolto da Pacinotti, con l’avvolgimento indotto ad
anello.
Per comprenderne l’impiego, si sostituiscano i due anelli della
fig.1 con due semi-anelli, isolati fra loro, come è indicato in fig.2.
Gli estremi della spira rotante sono saldati ai due settori, su cui
poggiano le due spazzole fisse. Tramite le spazzole si alimenta
l’utilizzatore (una lampada ad incandescenza, nel nostro caso).
Ad ogni mezzo giro la f.e.m. che si preleva è variabile, ma
unidirezionale: i due semi-anelli fungono da raddrizzatore
meccanico, cioè si rovescia la parte negativa della semionda (Il
meccanismo di conversione è evidenziato dalla fig.3).
Figura 2) La rotazione della spira
fra le espansioni polari genera una
f.e.m. risultante che, prelevata alle
spazzole che poggiano sui due
semianelli (collettore), è di tipo
unidirezionale, seppur variabile.
Per vedere cosa accade durante la rotazione, si
devono guardare, con la figura 3, i versi delle
f.e.m. indotte e della corrente nei due lati attivi della
spira, di cui sono rappresentate le sezioni circolari dei
conduttori, nonché la posizione dei semi-anelli del
collettore. In figura si nota anche il collegamento
frontale fra il conduttore attivo e il proprio semi-anello.
Per ottenere una f.e.m. unidirezionale, ma il
più possibile costante, basta aumentare il
numero dei conduttori distribuiti sulla
circonferenza dell’indotto e, di conseguenza,
il numero dei settori del raddrizzatore.
L’insieme di questi settori, in rame,viene
detto collettore a lamelle
Figura 3) Produzione di una f.e.m. di tipo
unidirezionale. Il cilindro dell’indotto è
trascinato in rotazione oraria, a velocità
costante, da un motore.
Lo sfasamento dipende dalla posizione dei conduttori utilizzati: essendo
diverse le posizioni, è diverso anche l’istante in cui la f.e.m. di ogni
conduttore sarà massima oppure nulla.
Il verso delle f.e.m. indotte dalle variazioni di flusso, in ciascun
conduttore attivo, si determina con la regoletta pratica della mano destra
(pollice-velocità, indice-induzione, medio-fem).
Ogni conduttore è sede di f.e.m. di tipo sinusoidale, con valore massimo
che si raggiunge quando passa nella posizione dell’asse o-o.
Il valore nullo di f.e.m. si raggiunge invece quando i conduttori transitano
sull’asse verticale v-v di figura. L’asse verticale viene detto asse neutro,
perché lì i conduttori, non sono soggetti a taglio di flusso. Ed è in questa
posizione, di tensione nulla e di inversione del senso della corrente, che si
preleva la f.e.m. che vi è fra le spazzole.
La figura 4 indica un modo apparentemente strano nell’eseguire i
collegamenti fra i conduttori attivi disposti sulle generatrici del cilindro
rotante.
Avvolgimento a tamburo: si collega il conduttore 1 con il conduttore
opposto al 2, in modo da raccogliere la somma vettoriale più alta possibile
delle rispettive f.e.m.. Nella parte frontale, dal lato del collettore, si
collegano i conduttori 6 e 3 fra loro con una lamella.
La restante successione è rappresentata e scritta in fig.4, in cui sono
evidenziati i collegamenti frontali anteriori e posteriori. Questi collegamenti
servono ad assicurare la continuità del circuito, ma non sono conduttori
attivi, perché non tagliano il flusso.
Figura 4) Indotto a tamburo
che schematizza l’impiego di
8 conduttori attivi. Il verso
delle correnti è riferito alla
rotazione in senso orario
dell’indotto, nel campo
induttore prodotto da una
coppia di poli collocata come
nelle figure precedenti
Nella fig.5 sono rappresentati i vettori corrispondenti alle singole f.e.m. . A sinistra i vettori
associati alle singole sinusoidi corrispondono alla posizione dei conduttori disegnata in fig.4. La
somma delle f.e.m. in una via interna (e1+e6+e3+e8) coincide con la sommatoria dell’altra via
interna (e4+e7+e2+e5). Fra la spazzola positiva e quella negativa si raccoglie la EMax, che in
questa posizione del rotore è massima. Quando il rotore ruota di 22,5° (1/16 di giro) la f.e.m.
raggiunge il valore minimo Emin (i vettori a destra nella fig.5).
La f.e.m. totale, disponibile ai capi delle spazzole, varia di poco fra questi due valori, ma non è
ancora del tutto continua.
E’ chiaro che l’aumento del numero dei conduttori sull’indotto e il corrispondente aumento delle
lamelle del collettore, porta ad una f.e.m. le cui variazioni temporali diventano bassissime, e si
può dire che genera tensione continua, cioè costante nel tempo.
Figura 5):Andamento temporale della f.e.m.
risultante, indotta in una dinamo con 8
conduttori attivi disposti sulla parte rotante
della macchina.
Avvolgimento a tamburo: si collega il conduttore 1 con il conduttore opposto al 2, in
modo da raccogliere la somma vettoriale più alta possibile delle rispettive f.e.m..
Nella parte frontale, dal lato del collettore, si collegano i conduttori 6 e 3 fra loro con
una lamella.
La restante successione è rappresentata e scritta nella figura sovrastante, in cui
sono evidenziati i collegamenti frontali anteriori e posteriori. Questi collegamenti
servono ad assicurare la continuità del circuito, ma non sono conduttori attivi,
perché non tagliano il flusso.
Fra la spazzola positiva e quella negativa si raccoglie la
EMax, che in questa posizione del rotore è massima.
Quando il rotore ruota di 22,5° (1/16 di giro) la f.e.m.
raggiunge il valore minimo Emin (i vettori a destra nella
fig.5).
Figura 5):Andamento temporale della
f.e.m. risultante, indotta in una dinamo
con 8 conduttori attivi disposti sulla
parte rotante della macchina.
Se si tagliasse l’avvolgimento indotto (detto anche di
armatura) e si disponesse su un piano, si otterrebbe la
fig.6,
In fig.6 sono visibili i percorsi della corrente nelle due
vie interne dell’avvolgimento. Quando un conduttore
passa sul neutro, che separa il polo N dal polo S, il
conduttore non è sottoposto a variazioni di flusso e si
ha l’inversione della corrente.
Le spazzole vanno collocate nel piano di divisione dei
poli, detto piano di commutazione, o interpolare o piano
delle spazzole.
con dinamo a vuoto, purché mantenuta in rotazione, le
due vie interne concorrono con due f.e.m. ugali e in
opposizione e pertanto non vi è circolazione di corrente.
Figura 6) Disposizione su un piano delle parti essenziali
della macchina a corrente continua. I conduttori tagliano, a
velocità costante v, le linee del campo magnetico prodotte
dalla coppia fissa di poli N-S.
Funzionamento a vuoto
Una dinamo funziona a vuoto solo quando si verificano le seguenti condizioni:
1.
Il motore primo fa ruotare la macchina a una certa velocità, costante nel tempo
2.
L’avvolgimento di eccitazione è percorso da corrente e crea il campo magnetico induttore
3.
L’avvolgimento indotto è aperto e quindi non viene erogata alcuna corrente al carico esterno, anche se tra i
morsetti è presente la tensione a vuoto Eo, legata alla corrente di eccitazione. La dinamo non fornisce potenza
elettrica al carico esterno.
Per generare il flusso, si utilizzano gli avvolgimenti o bobine di magnetizzazione le quali,
percorse da una corrente continua, variabile mediante un reostato di campo, o direttamente
modificando la tensione al circuito di eccitazione, modificano il flusso secondo quello che è
la curva media di magnetizzazione (fig.7)
La curva di magnetizzazione, o caratteristica a vuoto della macchina a corrente
continua, viene ricavata a velocità di rotazione costante.
La caratteristica a vuoto riporta l’andamento della f.e.m. indotta ai capi delle spazzole,
con circuito indotto aperto, e quindi in assenza di corrente erogata.
La curva parte da un valore non nullo di f.e.m., esistente in assenza di corrente
magnetizzante, a causa del magnetismo residuo.
Al crescere della corrente di eccitazione cresce, inizialmente in modo pressoché
lineare, anche la f.e.m. Eo.
All’aumentare dell’eccitazione si giunge alla saturazione, zona nella quale il flusso
cresce lentamente e con elevati apporti della corrente. La macchina viene
normalmente fatta funzionare intorno al ginocchio, nella zona che precede di poco
l’inizio della saturazione.
Figura 7)
Caratteristica di
magnetizzazione
della dinamo
Nel funzionamento normale la corrente di
eccitazione viene regolata in modo che il punto di
lavoro della macchina si trovi subito dopo il
‘’ginocchio’’ della caratteristica, per evitare sia il
funzionamento nel tratto iniziale, in cui la
macchina è molto sensibile alle variazioni della
corrente Ie, che il funzionamento in saturazione,
per il quale si richiede un elevato valore di Ie e,
quindi, elevata potenza di eccitazione.
Caratteristica a vuoto (o di magnetizzazione) della
macchina a corrente continua
Per ogni valore della velocità si ha un diverso
andamento della caratteristica a vuoto. A parità di Ie
il valore di Eo aumenta all’aumentare della velocità
considerata.
Confronto tra le caratteristiche a vuoto relative a tre
diversi valori di velocità
Espressione della f.e.m. generata a vuoto dalla dinamo
Dalla legge dell’induzione elettromagnetica si può dedurre che la forza elettromotrice generata dipende dal flusso Φ prodotto dai
poli induttori, dal numero N dei conduttori utili dell’indotto e dalla velocità angolare Ω dello stesso indotto, secondo l’espressione:
E=kΦNΩ
in cui la costante ‘k’è legata, in base alla seguente relazione, al numero di coppie di vie interne "a" e al numero di coppie di poli
"p", per cui l’espressione generale della f.e.m. generata si scrive:
La f.e.m. generata a vuoto è quindi legata al flusso induttore e alla velocità di rotazione.
Il flusso si può modificare mediante la variazione della corrente di eccitazione, a parità di velocità di rotazione dell’indotto.
Funzionamento a carico
La reazione d'indotto
Asse neutro
Nel funzionamento a vuoto della macchina, ovvero ad
una certa velocità di rotazione ma senza collegare alcun
carico alle spazzole, nei conduttori di armatura vi è solo
la presenza di f.e.m. detta Eo, ma non vi è passaggio di
corrente. In fig.8, pertanto, i punti e le crocette stanno ad
indicare i versi della Eo a vuoto e le linee del campo
induttore sono ritenute orizzontali, a formare un campo
magnetico pressoché uniforme, dove l’asse neutro è
perpendicolare alle linee di flusso.
Figura 8) Flusso esistente a vuoto, creato dai poli
induttori. I versi indicati sono riferiti alle f.e.m.
Quando viene messo un carico alle spazzole, il circuito
interno della macchina e la f.e.m. alla spazzole impongono il
passaggio della corrente: si produce così nel circuito
magnetico d’indotto un campo magnetico trasverso rispetto
a quello induttore (l’azione dei singoli conduttori, ognuno
percorso da corrente come in fig.9).
Il campo indotto, quello di fig.9, crea sostanzialmente un
altro campo , perpendicolare a quello di eccitazione, con le
polarità N’ e S’ indotte visibili in figura.
Figura 9) Flusso indotto generato dai
conduttori percorsi da corrente. Si formano le
polarità indotte N' e S'
Il sovrapporsi di questi due campi dà luogo al fenomeno di
reazione d’indotto, che consiste nella formazione di un campo
magnetico risultante che, come si intravede in fig.9, è distorto nel
senso della rotazione:
Asse neutro
•Nei semipoli di uscita (Nu, Su), si ha un addensamento delle
linee di flusso, per cui il flusso magnetico risulta rinforzato.
•Nei semipoli di entrata (Ne, Se), le linee di flusso sono opposte a
quelle del campo induttore, per cui il campo magnetico risulta
indebolito, e si ha una rarefazione di flusso.
A causa della saturazione magnetica prevale però l’indebolimento
rispetto all’addensamento delle linee, per cui il flusso risultante a
carico risulta diminuito, rispetto a quello che c’è a vuoto.
Anche la f.e.m. generata a carico sarà di conseguenza ridotta: si
considera una caduta di tensione interna che tenga conto del
fenomeno di reazione d’indotto (c.d.t. per reazione d’indotto).
Figura 9) Distorsione del flusso risultante nel senso della
rotazione, con addensamento sotto ai semipoli d'uscita e
rarefazione delle linee di flusso sotto ai semipoli d'entrata.
La commutazione
E' l’insieme dei fenomeni che si manifestano durante l’inversione della corrente in una sezione dell’indotto, nel passaggio
delle lamelle del collettore sotto una spazzola (fig.10).
Per un istante la spazzola resta in contatto con almeno due lamelle, cosicché una o più sezioni sono chiuse in corto
circuito (in fig.10 la spazzola sulle lamelle 1 e 2 e la spira rossa è corto circuitata).
Possono manifestarsi degli scintillii nell'istante in cui la lamella abbandona la spazzola. Infatti la sezione in corto circuito
possiede una induttanza per cui, al variare della corrente, diventa sede di una f.e.m. che contrasta la variazione della
corrente. A causa inoltre della distorsione del flusso dovuta dalla reazione d'indotto, la commutazione non avviene nel piano
neutro, ma in presenza ancora di flusso: nelle spire in commutazione si genera pertanto una f.e.m. per la rotazione
dell’indotto. Come conseguenza si produce una forte scintilla nell'istante in cui la lamella del collettore abbandona il bordo
della spazzola e si ha un forte riscaldamento.
La fig.10 mostra i successivi istanti di commutazione, quando la spazzola passa dalla lamella 1 alla lamella 2. La spira in
cui avviene l’inversione è quella colorata in rosso. In figura le correnti hanno i valori riferiti a una commutazione lineare, ma a
causa dell’induttanza delle spire i ritardi d’inversione portano a scintillii inevitabili.
L’unico modo per migliorare notevolmente la commutazione è quello di riportare il campo magnetico risultante
all’andamento a vuoto, eliminando le distorsioni di flusso.
Provvedimenti per migliorare la
commutazione
- Riduzione della f.e.m. indotta nelle spire in
commutazione:
a) formare le sezioni col minimo numero
possibile di spire, in modo da ridurne
l'induttanza;
b) adottare cave aperte in modo da aumentare
la riluttanza del circuito magnetico.
Figura 10) L'inversione della corrente nella spira in
commutazione durante la rotazione del collettore. Nella
commutazione lineare, dalla spazzola esce sempre la
corrente I/2 + I/2 = I . La spira in commutazione è quella
saldata alle lamelle 1-2.
- Poli ausiliari e avvolgimenti compensatori
I poli ausiliari (o poli di commutazione) sono poli supplementari destinati a migliorare la commutazione ed evitano
lo spostamento del piano delle spazzole al variare del carico.
Sono eccitati dalla corrente di carico e devono avere lo stesso nome del polo verso cui stanno per entrare i
conduttori d'armatura.
Servono a ricondurre il piano neutro nella posizione di funzionamento a vuoto e inoltre creano un piccolo flusso
sufficiente a generare una f.e.m. che compensa quella che ostacola la commutazione. Vengono messi in
corrispondenza delle polarità create dal campo magnetico (N’, S’) , per annullarne gli effetti, devono quindi avere le
stesse polarità.
Gli avvolgimenti compensatori, percorsi dalla stessa corrente del carico, sono situati in cave poste sulle
espansioni polari dell’induttore e servono ad eliminare gli effetti della distorsione di flusso.
Vengono di solito costruiti solo per macchine di grande potenza.
Si sottolinea che gli avvolgimenti dei poli ausiliari e quelli compensatori sono percorsi dalla corrente del carico: ciò
comporta un adattamento agli effetti dovuti ai campi di disturbo.
Una attenta scelta degli accorgimenti descritti può portare anche alla commutazione praticamente priva di scintillio
sul collettore, ma i costi di realizzazione e di manutenzione sono molto elevati.
Figura:dinamo con poli ausiliari
4.1 Curve caratteristiche della dinamo
Fra le curve caratteristiche della macchina generatrice in continua vi
sono:
- la curva di magnetizzazione o curva a vuoto Eo(Ie), che va rilevata in maniera
sperimentale, rendendo sempre separato il circuito di eccitazione, cioè alimentandolo
con una sorgente esterna. La velocità di rotazione deve essere mantenuta costante.
Dapprima si rileva la caratteristica ascendente, aumentando la corrente di eccitazione
dal valore nullo fino al valor massimo stabilito, solo per valori crescenti; la caratteristica
discendente si ottiene diminuendo sempre la corrente, fino ad annullarla. Si ricava la
caratteristica di magnetizzazione dalla media fra i valori delle caratteristiche ascendente
e discendente
- La caratteristica esterna U(I), che riporta l’andamento della tensione ai morsetti
dell’utilizzatore, al variare della corrente assorbita dal carico stesso, mantenendo
costante la velocità di rotazione e la corrente di eccitazione. Si inizia il rilievo della curva
portando la dinamo alla condizione nominale di carico. Successivamente si diminuisce
la corrente erogata, aumentando la resistenza dell’utilizzatore. L’ultimo punto si esegue
a vuoto, interrompendo l’alimentazione al carico. La corrente di eccitazione Ie che si è
prodotta per realizzare la condizione nominale di carico non deve più essere variata per
gli altri punti di misura.
Il legame fra la tensione al carico e la f.e.m. generata è il seguente:
U = E - Ri.Ii
- La caratteristica di regolazione Ie(I), che riporta l’andamento della corrente di
eccitazione al variare della corrente del carico. Durante la rilevazione delle grandezze si
deve mantenere la tensione U costante sul carico intervenendo sulla corrente di
eccitazione (sempre a velocità nominale costante).
La caratteristica esterna U(I)
L’andamento della tensione ai capi del carico, al variare della corrente erogata dalla dinamo, risente di due cause: quanto
maggiore è la corrente erogata, tanto più alte saranno la caduta ohmica RiIi e quella dovuta al fenomeno di reazione d’indotto.
Entrambe le cause concorrono a ridurre man mano la tensione alle spazzole, e quindi al carico ad esse allacciato.
L’andamento U(I) è anche funzione del tipo di eccitazione della macchina.
Nelle figure 11, 12 e 13, sono riportate le tipiche caratteristiche esterne, ricordando che la corrente erogata nominale non
dovrebbe essere mai superata, se non per brevi e occasionali istanti di sovraccarico, per non compromettere la durata della
macchina.
E’ utile ricordare che, volendo mantenere costante la tensione al carico, al variare della sua resistenza occorre regolare la corrente
di eccitazione, per rinforzare o indebolire opportunamente il flusso risultante.
1)Caratteristica esterna della
dinamo a eccitazione
indipendente
Figura 11) caratteristica esterna della dinamo
a eccitazione indipendente
2)caratteristica esterna della
dinamo con eccitazione
derivata
Figura 12) caratteristica esterna della
dinamo con eccitazione derivata
3) caratteristica esterna
della dinamo a eccitazione
in serie
Figura 13) caratteristica
esterna della dinamo a
eccitazione in serie
1) Nella dinamo con eccitazione indipendente (fig 11.), al diminuire
della resistenza Ru del carico aumenta la corrente erogata e
crescono le cadute interne dovute alla resistenza Ri d’armatura e alla
reazione d’indotto. Ne consegue una riduzione graduale della
tensione alle spazzole.
Per non incorrere in sovraccarichi, la resistenza di carico non deve
scendere a valori troppo bassi, che porterebbero all’erogazione di
correnti superiori a quella nominale (la retta di carico non deve avere
una pendenza inferiore a Rmin= Un / In ).
Se si continuasse a diminuire la resistenza del carico la corrente
erogata crescerebbe fino al valore "teorico" di corto circuito, in cui
l’unico ostacolo sarebbe la resistenza interna d’armatura.
Figura 11) caratteristica esterna della
dinamo a eccitazione indipendente
2) Nella dinamo con eccitazione derivata (fig.12), all’aumento della corrente richiesta
dal carico crescono anche qui le cadute interne dovute alla resistenza d’armatura e alla
reazione d’indotto. La riduzione della tensione alle spazzole comporta però, in questo
caso, anche la riduzione della tensione di eccitazione e quindi del flusso relativo, essendo
il circuito di eccitazione in derivazione alle spazzole stesse.
Questo è il motivo per cui la caratteristica esterna, superata la condizione di
funzionamento a pieno carico, può calare molto bruscamente al continuo diminuire della
resistenza di carico, portando la macchina alla diseccitazione totale (a parte la presenza
comunque del magnetismo residuo).
Questa macchina, infatti, per la sua caratteristica di carico, non patisce il corto circuito
diretto, ai capi delle spazzole, perché all’annullarsi della tensione alle spazzole si
annullano anche la tensione di eccitazione e la relativa corrente Ie che produce il flusso
induttore.
Figura 12) caratteristica esterna della
dinamo con eccitazione derivata
3) Nella macchina con eccitazione in serie, in assenza di carico, non vi è praticamente
eccitazione, a meno del magnetismo residuo.
Portando la resistenza del carico esterno da valori elevati verso valori decrescenti, cresce la
corrente erogata e man mano cresce anche il flusso, fino alla saturazione. L’ulteriore
diminuzione della Ru impone elevata reazione d’indotto e la caratteristica esterna diminuisce poi
bruscamente, dando luogo a quello che è ritenuto il tratto utile di funzionamento della macchina
(fig.13).
Per questo motivo la dinamo con eccitazione serie veniva usata come generatore a corrente
costante, in virtù del fatto che, al variare della resistenza del carico da un valore limite superiore
(RMax= Un/ In) fino al valore nullo (corto circuito), la corrente erogata modifica di poco il proprio
valore. Il tratto utile finale evidenzia infatti una forte escursione della tensione, con corrente che
varia di poco fra i limiti imposti dalla corrente nominale In e da quella di corto circuito Icc.
Gli altri tipi di eccitazione (indipendente, derivata e composta) consentono invece il
funzionamento a tensione costante, in cui la tensione al carico decresce non di molto al
variare della corrente erogata.
Figura 13) caratteristica esterna della
dinamo a eccitazione in serie
Bilancio delle potenze nella dinamo
Nel funzionamento da generatore, la macchina fornisce al carico corrente I con
tensione V, e quindi la potenza erogata è data da: P = V I
Indicando con Pp la potenza persa totale, la potenza assorbita
vale:
= P+Pp
La potenza persa è data da: perdite meccaniche (Pav) + Perdite nel ferro (Pf) +
Perdite per eccitazione (
) + Perdite nel rame del circuito di indotto (Pji) + perdite
elettriche al collettore (Pc) + perdite addizionali (Padd)
- la dinamo assorbe Pass, potenza meccanica
fornita dal motore di trascinamento;
- si devono detrarre le perdite meccaniche per attriti e
ventilazione, e le perdite nel ferro. Queste ultime sono
riferite alla parte rotante e alle scarpe polari. Nella
restante struttura magnetica dell’induttore non vi è
variazione di flusso e quindi non vi sono perdite nel
ferro. La somma di queste due perdite è quella
a vuoto Po.
- E*Ii è la potenza che si trasforma in elettrica
nell’indotto della dinamo.
- La potenza persa nelle resistenze del circuito di
eccitazione è Pe ;
- nel rame d’indotto vi è l’effetto Joule Ri Ii2
- Alle spazzole e quindi al carico è disponibile la
potenza elettrica generata dalla dinamo, la potenza
resa o utile.
Nelle perdite occorrerebbe ancora considerare,
secondo le Norme, quelle addizionali, pari allo 0,5%
della potenza resa e le perdite nelle spazzole valutate
come 2.Ii [W.]
Figura 14) Diagramma delle potenze.
Il flusso di potenza del generatore a corrente continua è rappresentato nella fig.14, figura in cui la Pc è da
considerare solo per le macchine autoeccitate ; è stata anche evidenziata la potenza intermedia
Detta potenza elettrica generata, corrispondente alla potenza elettrica totale,
dalla quale, sottraendo le perdite joule totali (indotto, collettore eccitazione),
si ottiene la potenza elettrica resa al carico.
Il rapporto tra queste potenze e la velocità di rotazione Ω del rotore, fornisce
la coppia elettromagnetica Cem che sviluppa tra statore e rotore che nel
funzionamento da generatore è di tipo resistente, opposta al senso di
rotazione
Pav= perdite meccaniche
Pf= Perdite nel ferro
Pe= Perdite per eccitazione
Pji=Perdite nel rame del circuito di indotto
Pc=perdite elettriche al collettore
Padd= perdite addizionali
P=Pav+Pf+Pecc+Pji+Pc+Padd
Pa=P+Pp
Pp= potenza persa totale
Po=Pav+Pf
Pji= Ri Ii2
Rendimento della dinamo
Il rendimento della macchina varia al variare della corrente erogata al carico, secondo l’andamento
tipico della fig.15. Cresce rapidamente da zero (dinamo a vuoto) fino al valore massimo, per poi
diminuire più lentamente man mano che crescono le perdite nell’indotto.
Il rendimento si calcola con l’espressione
Figura 15) Rendimento della dinamo, al variare della corrente erogata al carico.
Motore in C.C
Basi del motore C.C
Parti fondamentali e funzionamento
Motore a magneti permanenti
Motore con statore a filo avvolto
Motore universale
Basi del motore in C.C.
Il motore in corrente continua è stato il primo motore elettrico realizzato, ed è tuttora utilizzato
ampiamente per piccole e grandi potenze. Sono a corrente continua (o comunque alimentabili in
corrente continua) numerosi motori di piccola potenza per usi domestici, come anche motori per
trazione ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia di kW.
Uno dei primi motori elettromagnetici rotanti, se non il primo, è
stato inventato da Michael Faraday nel 1821, e consisteva in
un filo conduttore tenuto fermo verticalmente alla sua estremità
superiore in modo che l'estremità inferiore fosse immersa in un
piatto contenente mercurio. Un magnete permanente circolare
era sistemato al centro del piatto. Quando una corrente
elettrica veniva fatta scorrere nel filo, questo ruotava attorno al
magnete mostrando che la corrente generava un campo
magnetico attorno al filo.
Figura 1Un semplice motore DC.
Quando la corrente scorre negli
avvolgimenti, si genera un campo
magnetico intorno al rotore. La parte
sinistra del rotore è respinta dal
magnete di sinistra ed attirata da
quello di destra. Analogamente fa la
parte in basso a destra. La coppia
genera la rotazione.
La stessa macchina, con corrente d'eccitazione e polarità delle spazzole identiche, ruota nello stesso senso sia
come motore che come generatore, solo che quando funziona come motore cambia il senso della corrente
nell'indotto e nelle vie interne così che la f.e.m. E è da intendersi come controelettromotrice, e la coppia
elettromagnetica generata C è da ritenere come motrice essendo concorde col verso di rotazione.
Mentre per i generatori autoeccitati si ha un verso obbligato di rotazione dovuto alla necessità di sfruttare il
magnetismo residuo, nei motori autoeccitati ciò non è più vero in quanto il flusso d'eccitazione è originato
dalla corrente derivata dalla linea di alimentazione stessa che si trova, sempre, alla tensione V.
La reazione d'indotto si presenta nei motori in forma del tutto analoga a quanto visto per i generatori, solo
che l'asse neutro si trova ad essere spostato in anticipo rispetto all'interasse polare. Anche la
commutazione si presenta con le stesse proprietà già viste per i generatori.
Parti fondamentali e funzionamento.
Il principio di funzionamento di ogni motore elettromagnetico può essere espresso con la legge
F=I.B.I
Se un filo di lunghezza l [M], percorso da corrente I [A] è perpendicolare alle linee di forza di un campo magnetico di induzione B
[T], agisce su di esso una forza trasversale F [N]. Verso e direzione della forza si trovano con la regola della mano sinistra.
le parti fondamentali sono di un motore CC sono:
·
l’eccitazione, posizionata sullo statore, che crea l’induzione magnetica B, realizzata con magneti permanenti o con
avvolgimenti.
·
L' armatura costituita dai conduttori posizionati in apposite cave ricavate in direzione assiale nella periferia esterna di
rotore, che formano un avvolgimento chiuso. In essi scorre la corrente I per la lunghezza utile l.
·
il collettore: organo fondamentale e caratteristico, che consiste in un cilindro di lamelle conduttrici isolate tra loro e
collegate a punti simmetricamente distribuiti sull’armatura.
·
le spazzole di carbone, fisse, che strisciando sul collettore convogliano la corrente continua dell’alimentazione nei
conduttori d’armatura.
Il collettore svolge la funzione di raddrizzatore meccanico. La corrente nei singoli conduttori è infatti alternata mentre la corrente
che arriva tramite le spazzole è continua. E' il collettore che fa avvenire l'nversione della corrente in modo tale che il suo verso
dipenda unicamente dalla posizione fisica in cui durante il moto il conduttore viene a trovarsi. Nella stessa posizione fisica il
verso della corrente è sempre lo stesso, qualunque sia il conduttore che la occupa. La distribuzione delle correnti rimane dunque
immutata mentre i conduttori si muovono. Se ci si svincola dal fatto che la sede della corrente sono i conduttori e ci si concentra
solo sulla corrente, è come se l'armatura fosse ferma. E' il collettore che “sostituisce” i conduttori.
Motore in corrente continua a magneti permanenti
Il classico motore in corrente continua ha una parte che gira detta appunto rotore o anche armatura
(in grigio con gli avvolgimenti colorati nelle figure) e una parte che genera un campo magnetico fisso
(nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o
collettore a spazzole (o anello di Pacinotti) (nelle figure l'anello color rame, fissato all'albero rotante
del motore, con i due contatti striscianti + e - collegati alla parte ferma) inverte due volte ad ogni giro
la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico
che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i
magneti permanenti fissi (indicati con N ed S nelle figure).
La velocità di rotazione dipende da:
1)Tensione applicata.
2)Corrente assorbita dal rotore.
3)Carico applicato (chiamato coppia di carico).
La coppia generata è proporzionale alla corrente. Il controllo più semplice agisce sulla tensione di
alimentazione. Nei sistemi più complessi si usa un controllo in retroazione che legge le variabili
(corrente, velocità di rotazione) per generare, con un alimentatore switching, la tensione da applicare
al motore.
Quando il rotore sarà allineato orizzontalmente, il commutatore invertirà la direzione della corrente
che scorre negli avvolgimenti, invertendo il campo magnetico e inizierà la seconda parte del giro.
Dato che questo tipo di motore può sviluppare una forte coppia a basse velocità di rotazione è stato
usato nella trazione elettrica, come, ad esempio, sulle locomotive. Il motore CC a magneti permanenti
ha un comportamento reversibile: diventa un generatore di corrente continua (una dinamo) se si
collega un altro motore all'albero. Si può allora prelevare l'energia elettrica prodotta collegandosi alle
spazzole. (Da questo si può intuire la sua capacità di agire anche da freno: applicando tra le spazzole
un resistore l'energia meccanica trasmessa all'albero si dissipa su questo resistore). Riassumendo si
può affermare che il motore CC ha tutte le funzioni necessarie per un mezzo mobile: oltre alla
funzione di motore può recuperare l'energia funzionando da dinamo e, quando necessario, può servire
da freno.
Il suo limite principale è nella necessità del commutatore a spazzole:
•Le spazzole sono in grafite. Questo consente un buon contatto elettrico minimizzando gli attriti. La loro usura richiede
periodici interventi di manutenzione (d'altra parte è preferibile dover sostituire le spazzole che non l'intero collettore,
operazione ovviamente molto più complessa).
• Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e più forte è la pressione che
bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto.
•Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura degli avvolgimenti induttivi e
quindi scintillio (attenuabile con opportuni sistemi ma non eliminabile).
•Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell'ambiente circostante che trasmessi al generatore di
tensione (che alimenta il motore); questi disturbi, in determinati settori di impiego, possono causare problemi di
compatibilità elettromagnetica.
La presenza di avvolgimenti elettrici sul rotore ha anche due aspetti negativi:
•Se il motore è di grossa potenza si hanno dei problemi di smaltimento del calore (gli avvolgimenti si riscaldano per
effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del rotore genera altre perdite e quindi altro calore).
•Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore (aumenta il momento d'inerzia): se il motore deve rispondere con rapidità e
precisione (come avviene nelle automazioni industriali e nella robotica) il controllo diventa più complesso.
Il limite principale di queste macchine è proprio la presenza del complesso collettore-spazzole; il contatto strisciante tra
spazzole e lamelle può produrre archi elettrici e limita i valori massimi della tensione e della corente della macchina
I problemi illustrati sarebbero evitati se si potesse scambiare il rotore con lo statore (cioè se gli avvolgimenti venissero
messi sulla parte fissa e i magneti fossero montati sul rotore). Scomparirebbe il collettore a spazzole e gli avvolgimenti
elettrici potrebbero smaltire più facilmente il calore generato. È quello che si fa nei motori brushless (in inglese
letteralmente: senza spazzole). In essi si possono ridurre ulteriormente le dimensioni del rotore (e quindi le sue inerzie)
usando materiali magnetici più efficienti come leghe di samario-cobalto. In questi motori ovviamente il circuito di
alimentazione deve essere più sofisticato, dovendo sostituire le funzioni del collettore meccanico con un controllo
elettronico di potenza.
Motore CC con statore a filo avvolto
Nei motori CC lo statore può essere realizzato non con magneti permanenti ma, similmente al rotore, con
avvolgimenti su materiale ad alta permeabilità in cui viene fatta scorrere della corrente: questo circuito è detto di
eccitazione. In questo modo si possono avere potenze maggiori (ma si dovrà spendere più energia anche per
alimentare questo nuovo circuito). Si possono avere vari casi nell'alimentazione del circuito di statore:
• motore ad eccitazione indipendente: l'avvolgimento di statore è alimentato in maniera indipendente da quello di
rotore. Si ha allora più flessibilità nel controllo dei parametri (coppia e velocità) del motore. Se si alimenta con le
stesse polarità della dinamo, ruota nello stesso senso della dinamo. Per fargli cambiare verso di rotazione,
bisogna invertire la polarità dell'armatura o la polarità dell'eccitazione.
• motore ad eccitazione in parallelo: statore e rotore sono collegati in parallelo (coppia maggiore, minore velocità).
Comunque lo si alimenti, ruota sempre nello stesso senso della dinamo. Per fargli cambiare verso di rotazione,
bisogna invertire il verso della corrente di eccitazione o d'indotto e questo è possibile solo scambiando il morsetto
d'inizio con quello di fine di uno solo dei due avvolgimenti.
•motore ad eccitazione in serie: statore e rotore sono collegati in serie (coppia inferiore, maggiore velocità).
Comunque lo si alimenti, ruota sempre in senso contrario a quello che assume funzionando da dinamo. Per fargli
cambiare verso di rotazione si deve operare come per il motore con eccitazione derivata.
• motore ad eccitazione composta: dato che viene costruito in modo tale che l'eccitazione derivata prevalga su
quella serie, si comporta come il motore con eccitazione derivata.
Si possono avere anche situazioni intermedie utilizzate in passato soprattutto nella trazione elettrica (dove è
richiesta molta coppia allo spunto e maggiore velocità a regime).
Motore universale
Il motore con eccitazione a filo avvolto può essere alimentato sia in corrente continua che in
alternata. Si parla allora di motore universale e nella maggior parte delle applicazioni è alimentato
in corrente alternata (CA). La possibilità di usare la corrente alternata nasce dal fatto che la
corrente nello statore e nel rotore si invertono contemporaneamente e quindi anche i campi
magnetici si comportano allo stesso modo generando quindi una forza dello stesso tipo (attrattiva o
repulsiva). In pratica il motore deve però essere progettato tenendo presente che l'alimentazione è
alternata (impedenza e riluttanza devono essere tenute presenti) e il risultato è comunque un
motore meno efficiente di un puro motore CC. Il suo principale vantaggio è che in CA si ha un
motore con le tipiche caratteristiche di un motore CC, particolarmente coppia notevole allo spunto,
alta velocità di rotazione e dimensioni compatte. L'aspetto negativo è la presenza del collettore a
spazzole che richiede manutenzione o limita l'affidabilità: nelle applicazioni industriali sono poco
usati mentre trovano largo impiego nei piccoli elettrodomestici o utensili usati in modo
intermittente. Inoltre l'introduzione di dispositivi elettronici di controllo economici come i triac rende
semplice il controllo della loro velocità.
A differenza di altri motori usati in CA (motori ad induzione e sincroni), i motori universali possono
facilmente superare velocità di rotazione di un giro per periodo della rete elettrica (cioè oltre i 3000
giri al minuto a 50 Hz e 3600 giri al minuto dove è presente la rete a 60 Hz). Questo li rende
particolarmente utili nelle applicazioni in cui è richiesta un'alta velocità di rotazione (frullatori,
aspirapolvere, asciugacapelli, ecc.).
Con l'attuale disponibilità a costi contenuti di dispositivi elettronici (come circuiti integrati, ponti
raddrizzatori, dispositivi di potenza a semiconduttore, ecc.), alcune applicazioni che in passato
sarebbero state realizzate con motori universali ora vengono sviluppate con puri motori CC con
magneti permanenti. In particolare quando si vuol realizzare un controllo della velocità più preciso.
Oggetto: Tesina per diploma di elettrotecnica
Argomento trattato: Macchina in corrente continua
Materia: Elettrotecnica
Nome: Alessandro Severi
Classe: V
Sezione: Ael
