Macchine elettriche parte 4 Macchina sincrona (alternatore) Principio di funzionamento Le macchine sincrone si dividono in:
macchina sincrona isotropa, se è realizzata la simmetria del flusso; macchina sincrona anisotropa, quanto non è realizzata la simmetria dei flussi. Le macchine sincrone, come dice il nome stesso, funzionano solo se c’è sincronismo tra la velocità meccanica del rotore e la velocità di rotazione delle grandezze elettriche di statore. Considerate nel funzionamento da generatore di corrente alternata le macchine sincrone sono comunemente indicate come alternatori, mentre se considerate nel loro funzionamento da motore, sono indicate con il nome di motori sincroni. Sia gli alternatori sia i motori sono costruiti alla stessa maniera e funzionano con il medesimo principio, basato sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica che nasce quando un filo elettrico e investito da un campo magnetico variabile. Questo principio di funzionamento è realizzato attraverso una rotazione uniforme del campo magnetico generato da avvolgimenti posti sul rotore (espansioni polari) e alimentati in corrente continua (induttore) e da tre avvolgimenti (sistema trifase) posti sullo statore a 120° meccanici tra loro (indotto). Le grandezze indotte, pertanto, avranno una velocità di rotazione e pari alla velocità di rotazione del rotore r. Vale, quindi, la relazione (che esprime il sincronismo): e = r Per alimentare gli avvolgimenti induttori, essendo essi in rotazione, occorre calettare sull’albero del rotore un sistema di collettore (a) e spazzole (b). La velocità di sincronismo si esprime secondo la relazione: r e 0
In RPS (giri/minuto) n0
In rad/s 2f 0
(p numero di coppie polari) p
60 f 0
p
In conclusione, affinché, la macchina funzioni o da generatore o da motore le condizioni che deve soddisfare sono: 1 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4 ωr ωe
n0
60 f 0 p
Se la macchina deve funzionare da generatore, i poli sono scelti in funzione della frequenza della tensione che si vuole generare. Viceversa, nel funzionamento da motore, i poli si scelgono in base alla velocità che deve avere il rotore. Osserviamo che nel funzionamento da motore, c’è una certa difficoltà all’avviamento, poiché occorre portare il rotore alla velocità di sincronismo. Reazione d’indotto e bilancio energetico Consideriamo un alternatore nel suo funzionamento a vuoto, cioè quando gli avvolgimenti di statore, collegati a stella, sono lasciati liberi (senza carico), in queste condizioni su detti avvolgimenti non circola corrente. La rappresentazione della macchina, in questo funzionamento, può essere come in figura. Le tensioni E0i (con i = a, b, c) sono direttamente proporzionali al flusso generato dalle espansioni polari (o poli), e quindi proporzionali alla corrente di eccitazione Iecc che percorre gli avvolgimenti di rotore, secondo le relazioni: 0 NI ecc
E0i k0
Dove k è una costante che dipende da come è costruita la macchina. Ai morsetti dell’alternatore si ha una terna di tensioni simmetriche concatenate (tensioni di fase) pari ha: V0 3E0 Se gli avvolgimenti di statore fossero collegati a triangolo, allora si avrebbe: V0 E0 In queste condizioni di funzionamento il bilancio energetico della macchina vale: 2 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4 Dove:
Pa0 rappresenta la potenza meccanica trasmessa al rotore dal motore primo, che può essere o un motore a scoppio, una turbina idrica, una turbina a vapore e qualunque altra forma di energia che sia in grado di dare una rotazione. Pa,v rappresenta la potenza persa per attrito e ventilazione. Pecc la potenza assorbita dagli avvolgimenti di eccitazione. PFe le perdite nel ferro, quasi tutte concentrate sullo statore. Appena colleghiamo al secondario un carico (funzionamento a carico) sugli avvolgimenti statorici nasce una terna di correnti alla frequenza f0, definita prima. Queste correnti circolando negli avvolgimenti di statore generano un flusso di reazione d’indotto i che combinandosi con il flusso 0 danno origine al flusso di macchina. Si distinguono i casi:
Carico puramente resistivo: in questo caso la reazione d’indotto genera una coppia che si oppone al movimento del rotore, di conseguenza il motore primo deve generare una coppia superiore a quella generata dalle correnti di statore. Un esempio pratico c’è dato dalla dinamo montata sulla bicicletta, infatti, quando essa non è innestata, si fa meno fatica a pedalare di quando essa è innestata. Carico puramente induttivo: In questo caso il flusso i è in opposizione al flusso 0, di conseguenza l’azione della reazione d’indotto e del tipo smagnetizzante. Carico puramente capacitivo: esso è in opposizione al caso precedente, pertanto sulla macchina si ha un effetto magnetizzante. In queste condizioni di funzionamento il bilancio energetico della macchina vale: Con chiaro significato dei simboli. Circuito equivalente di Behn – Eschemburg Per la macchina asincrona isotropa con rotore a poli lisci, in condizioni di funzionamento di non saturazione una rappresentazione circuitale può essere fatta attraverso il circuito equivalente (relativo ad una sola fase) di Behn – Eschemburg. Dove: 3 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4
E0 è la tensione a vuoto dipendente dalla corrente di eccitazione. Ri rappresenta la resistenza degli avvolgimenti di statore. Xd è la reattanza di dispersione dovuta ai flussi concatenati solo con i circuiti di rotore. Xi rappresenta la reazione d’indotto. La somma tra Xi e Xd prende il nome di reattanza sincrona. Macchina in corrente continua Generalità La macchina in corrente continua è una macchina elettrica di tipo rotante, la quale trasforma energia elettrica in energia meccanica (funzionamento da motore), e viceversa energia meccanica in energia elettrica (Dinamo). Questa macchina ha avuto scarsa diffusione, rispetto alla macchina in corrente alternata, in quanto presenta dei grossi problemi costruttivi per quel che riguarda i meccanismi atti all’alimentazione, e presenta anche notevoli problemi di manutenzione. Viceversa presenta una notevole semplicità nella regolazione della velocità, nel funzionamento da motore, e nella regolazione della tensione nel funzionamento da generatore. Sostanzialmente questa è una macchina sincrona, dove sono stati invertiti i ruoli d’indotto e d’induttore, infatti, nelle macchine a corrente continua, l’indotto è il rotore e l’induttore è lo statore. Lo statore si compone di un giogo o carcassa di forma circolare da cui sporgono radialmente verso l’interno i poli che si dividono in nucleo polare, su cui sono posti gli avvolgimenti d’induttore (alcune macchine hanno dei magneti permanenti), ed espansioni polari. La carcassa è l’organo portante della macchina ed ha il compito di giogo magnetico, attraverso cui si richiude il flusso. Qualunque sia il numero di poli della macchina il flusso che attraversa la carcassa, è sempre la metà del flusso che esce dai poli, e poiché tale flusso è costante, la carcassa non è laminata. Le espansioni polari invece sono laminate perché esse sono attraversate da un flusso variabile nello spazio. La variazione di tale flusso è dovuta alla diversa riluttanza magnetica che il flusso incontra quando esce dal rotore. Nel rotore invece è posto l’avvolgimento d’indotto, esso è alloggiato in delle cave ricavate sul rotore. Dinamo Principio di funzionamento Supponiamo di fare funzionare la macchina come generatore (dinamo). Alimentiamo il circuito di eccitazione (statore), e supponiamo di fare funzionare la macchina a vuoto. L’avvolgimento d’eccitazione creerà un flusso costante che investe 4 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4 in maniera perpendicolare il rotore. Se poniamo ora il rotore in movimento, gli avvolgimenti posti su di esso vedono il flusso variare. La variazione del flusso fa nascere una f.e.m. indotta. Se rettifichiamo la superficie rotorica, e consideriamo una macchina con soli due poli, possiamo ricavare l’andamento ideale di dell’induzione B, che è come in figura (linea continua). In realtà, perché non tutto il flusso arriva al rotore in maniera perpendicolare, l’andamento di B e come quello segnato con la linea tratteggiata. La f.e.m. che si genera, dovendo avere l’andamento come B e di tipo alternato (il punto di nullo si ha nella mezzeria dei poli e si chiama piano d’inversione della f.e.m.). Poiché dobbiamo raccogliere una f.e.m. costante sull’albero è calettato un collettore, su cui strisciano delle spazzole in fibre di carbonio e a cui sono collegati i morsetti di alimentazione, posti sulla carcassa. Ovviamente le fibre in carbonio con lo strofinare si consumano e devo essere periodicamente cambiate, inoltre anche il collettore si consumerà (in un tempo sufficientemente grande) e dovrà, quindi essere rettificato, e dopo alcune rettifiche dovrà essere cambiato. Le spazzole che strisciano sul collettore sono tenute a pressione, su di questo, da molle che spingono le spazzole stesse. Il collettore dovrà essere diviso in almeno due parti, in modo che una sia collegata ad un estremo dell’avvolgimento e l’altra all’altro estremo. In questo modo una spazzola preleverà solo la semionda positiva (ricordiamo che i poli sono fermi e che quindi ogni conduttore che si trova a passare sotto un polo avrà sempre lo stesso valore di tensione in modulo e in fase) e l’altra spazzola preleverà solo la semionda negativa. Per avere una tensione con andamento più continuo sarebbe utile prelevare la tensione su di un conduttore alla volta, quando esso passa dal punto in cui l’induzione è massima, allora il collettore è fornito di tante lamelle quante sono le spire (due per ogni spira) che costituiscono il circuito d’indotto. In questo modo ogni spira sarà collegata a due lamelle in posizione radialmente opposta. Come per la macchina sincrona anche la dinamo, dal passaggio da vuoto a carico subisce l’azione della reazione d’indotto. Il circuito equivalente della macchina in corrente continua è come in figura. 5 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4 Motore Principio di funzionamento L’uso più diffuso della macchina in corrente continua è quello nel suo funzionamento da motore. Il principio di funzionamento è perfettamente duale a quello nel funzionamento da generatore. Facendo attraversare i circuiti di rotore da corrente continua, essendo essi immersi in un campo magnetico, generato dal circuito di eccitazione (che può essere ottenere con un magnete permanente oppure con un avvolgimento di statore), sono soggetti alla forza di Lorentz. Naturalmente due conduttori che si trovano sotto due poli diversi saranno sottoposti a forze di modulo uguale ma di direzione opposta e quindi daranno luogo ad una coppia che porta il rotore in rotazione. L’intensità della forza dipende dal valore dell’induzione B che investe il conduttore, allora, con analogia al funzionamento da generatore, in ogni conduttore la forza varia con la posizione assumendo l’andamento dell’induzione magnetica; tuttavia l’effetto complessivo è quello di avere una coppia praticamente costante nel tempo poiché la configurazione del sistema costituito dall’insieme di tutti i conduttori rimane immutata. Sistemi di eccitazione La macchina può essere eccitata in modi diversi:
Eccitazione indipendente Eccitazione derivata Eccitazione in serie Eccitazione composta I circuiti equivalenti sono rappresentati nelle figure che seguono. Essi sono validi sia per l’alternatore sia per il motore, occorre invertire il verso della corrente sullo statore. Eccitazione indipendente 6 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 4 Eccitazione derivata Eccitazione in serie Eccitazione composta La macchina ad eccitazione composta si divide in: lunga derivazione (nel grafico a sinistra) e corta derivazione, secondo se la derivazione è collegata alle spazzole oppure no. Il primo collegamento è di solito il preferito. 7 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero
