Macchine elettriche parte 1

Macchine elettriche parte 1 Macchine elettriche Generalità Definizioni Molto spesso le forme di energia in natura non sono direttamente utilizzabili, ma occorre fare delle conversioni. Un qualunque sistema in grado di trasformare una energia in un’altra si chiama macchina. Queste macchine si dividono in:  Statiche se la trasformazione dell’energia avviene senza organi in movimento (es. Trasformatori.)  Dinamiche se la trasformazione avviene per mezzo di organi in movimento (es. Motori, generatori.) Le macchine dinamiche si dividono in: rotanti o alternative in base del tipo di movimento. Le macchine che interessano il nostro corso sono quelle macchine in cui una almeno delle due energie che trasformano è di natura elettrica, esse sono dette Macchine elettriche, e si classificano in: motori; generatori; trasformatori e convertitori. Queste macchine si distinguono dal tipo di trasformazione che compiono. Facciamo ora un semplice schema che mostra il tipo di trasformazione e la denominazione delle macchine elettriche. Statiche  Trasformatori  En. Elettrica  En. Elettrica


 Generatori(dinamo)  En. Meccanica  En. Elettrica

 Corrente continua  

 Motori  En. Elettrica  En. Meccanica




 Gen.  En. Meccanica  En. Elettrica


Asincrone  



 Motori  En. Elettrica  En. Meccanica

 Rotanti  

 A riluttanza




 Corrente altrnata 
 Alternatori  En. Mec.  En. El.  A rilutt. variabile






Sincrone

 Motori  En. El.  En. Mec.


 A passo



 etc. etc


 Convertitori elettronici  trasformano forme d' onda di grandezze elettriche
La particolarità di queste macchine, esclusi i convertitori, è che il loro funzionamento si basa su fenomeni di tipo magnetico. Le macchine elettriche sono perfettamente reversibili nel senso che possono essere usate nell’uno o nell’altro verso. 1 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 1 Rendimento di una macchina elettrica Tutte le trasformazioni che avvengono nelle macchine elettriche, sono accompagnate da altre trasformazioni secondarie a carattere dissipativo che comportano la perdita di una parte di energia utilizzabile e che, quindi, incidono sul rendimento. I principali tipi di perdite sono: 
sono le perdite Jaule (PJ ) e rappresentano quella parte di energia prinaria 
Perdite di tipo elettrico o nel rame (PCu )  

che si trasformano in energia termica.




Sono dovute alle correnti di Foucò,

Perdite per correnti parassite (PCp ) 


e sono di tipo termico




Sono legate al ciclo di isteresi, e rappresentano 
Perdite di tipo magnetico o nel ferro (PFe )  

Perdite per isteresi (P ) l' energia necessaria a megnetizzare il circuito 
Ist 




magnetico.




Rappresentano l' energia persa a causa delle vibrazioni, 
Perdite per attrito e ventilazione perdite meccaniche (Pm )  

degli attriti e del movimento dell' aria


Perdite addizionali (P )  Dovute ad altri fenomini (ad esempio effetto pelle)
add

Tutte queste perdite ovviamente fanno abbassare il rendimento effettivo della macchina che è definito come eff 
Pu
Pe dove Pu è la potenza in uscita della macchina e Pe è la potenza entrante, ovviamente è Pu < Pe. Il rendimento effettivo, nelle macchine elettriche, aumenta all’aumentare delle dimensioni della macchina fino a raggiungere valori del 99%. Nelle macchine elettriche si usa il rendimento convenzionale definito secondo le formule: 
Pe   P
Pe
Pu

Pu   P
Dove: P = PCu + PFe + Pm + Padd. I motivi per cui si fa uso del rendimento convenzionale sono: 
Nei trasformatori, macchine statiche, il rendimento è molto prossimo all’unità per cui la potenza resa è quasi uguale a quella in entrata: inevitabili errori di misura potrebbero condurre all’assurdo di determinare un rendimento superiore a 1;  Nei motori e nei generatori, macchine rotanti, una delle forme di energia è di tipo meccanico, e quindi non facilmente misurabile;  Nelle macchine di grande potenza, caratterizzate da elevate tensioni e correnti, la misura diretta delle potenze è molto complicata da eseguire. 2 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 1 Trasformatore Principio di funzionamento Il trasformatore è, forse, la macchina elettrica più importante, in quando il suo uso è di fondamentale importanza nel trasporto e nella distribuzione della corrente elettrica. Poiché il trasformatore trasforma energia elettrica in energia elettrica, la sua funzione è variare le grandezze d’uscita rispetto a quelle d’ingresso. In altre parole ha il compito di abbassare o alzare la tensione. L’energia elettrica è prodotta in media tensione (da 1.000 V fino a 35.000 V), in quanto a tensioni più elevate costerebbe troppo, è poi alzata ad alta tensione (35.000 V fino a 150.000 V), per ridurre le perdite in linea (P = RI2) e viene in fine abbassata, prima in media tensione e poi distribuita a bassa (fino a 1.000 V), per questione di sicurezza e di costi degli isolanti. In pratica trasformatore è una macchina importante perché: •
L’isolamento delle macchine e apparecchiature elettriche deve essere proporzionale alla tensione d’esercizio. •
A parità di potenza da trasportare, la corrente diminuisce all’aumentare della tensione , di conseguenza l’energia è trasportata alla tensione più elevata possibile. •
La maggior parte degli utilizzatori elettrici funziona in bassa tensione •
Le reti urbane di trasmissione elettrica sono realizzate in cavi interrati in media tensione •
La sicurezza delle persone è maggiore a livelli contenuti di tensione Il principio di funzionamento è basato sulle leggi che regolano il fenomeno dell’induzione magnetica 
Legge di faraday – Newman: La forza elettromotrice generata in una bobina è direttamente proporzionale alla variazione di flusso che ha interessato la bobina stessa. f .e.m. 
d
dt

Legge di Lenz ‐ Ampere: La forza elettromotrice indotta in una bobina è tale da opporsi alla causa che l’ha generata: f .e.m.  

d
dt
Mutua induzione: Se disponiamo nello spazio due bobine e ne alimentiamo una con una tensione variabile, la corrente che attraversa le N spire genera nello spazio un campo magnetico 3 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchin
ne elettriche parte 1 (vedi figura sopra) anco
ora variabile,, il cui flusso
o si concatena con l’altrra bobina, ge
enerando in
n e
essa una for
za elettromo
otrice indottaa. uanto detto,, i trasformaatori, sono costituiti daa Per qu
due circuiiti elettrici m
mutuamente accoppiati p
per mezzo dii un circuito
o magnetico. L’accop
ppiamento fra f i due cirrcuiti deve essere e
il più
ù stretto po
ossibile per evitare i flu
ussi dispersi, cioè quellaa parte dell flusso imp
piegato che si chiude in aria. Perr questo motivi m
i due circuiti son
no avvolti attorno a
allo
o stesso circcuito magneetico, di picco
ola riluttanzaa magnetica,, nel quale si sviluppa un flusso che sii concatena q
quasi comple
etamente co
on entrambi le bobine. L’avvolgimento che fa capo ai m
morsetti d’inggresso si chiama primariio, l’altro avvvolgimento, relativo allaa grandezza derivata, d
si chiama seco
ondario. Poicché la maccchina è completamente reversibile, un’effettivaa distinzione tra i due avvvolgimenti può essere fatta in base
e alle grandezze che la caratterizzano, allora sii distingueranno in circuito di alta ten
nsione e di bassa tension
ne. Il trasforrmatore nei circuiti elettrici o/e negli schemi eletttrici è rapprresentato seecondo i simb
boli riportatii in figura. Trasfo
ormatore ideale Ipotesi d’idealità Risulta,cconveniente, allo scopo dello studio
o della maccchina iniziaree ricavando il modello in condizionii ideali e, succcessivamen
nte, introdurre nel modeello tutte quelle correzio
oni che perm
mettono di tenere conto
o dei tanti asp
petti reali no
on trascurabiili. Nelle condizioni ideaali il trasform
matore non h
ha perdite, dii conseguenzza si formulaano le seguen
nti ipotesi: ono considerrati privi di reesistenza (niiente perdite
e per effetto
o 1. I conduttori dei due avvolgimenti so
na c.d.t. sugli avvolgimen
J
Joule, nessu
nti); 2. Il circuito maagnetico fra le bobine è p
perfetto (nesssun flusso d
disperso); 3. Si trascurano
S
o le perdite nel ferro (neessuna perdita di potenza dovuta a correnti parrassite e perr isteresi). In base alle ipotesii fatte, la potenza p
app
parente asso
orbita al priimario devee uguagliare la potenzaa apparente eerogata al seecondario, qu
uindi vale la relazione: 4
4 Appunti di elettroteccnica corso n
nautico prof Catalano Giaampiero Macchine elettriche parte 1 A1  A2  V1 I1  V2 I 2 
V1 I 2
 V2 I1
Funzionamento a vuoto e diagramma vettoriale I1
N1
I2 = 0
N2
V1
V2
E 10
E 20
0
Consideriamo un trasformatore ideale, rappresentato in figura, se alimentiamo con una tensione sinusoidale V1 il primario del trasformatore, composto di N1 spire, in esso circolerà una Corrente sinusoidale I1, detta corrente magnetizzante. Essa è in quadratura (90°) in ritardo rispetto alla tensione, poiché il carico è induttivo (vedi diagramma vettoriale). Ai capi dell’induttanza di primario nasce una E01, in controfase (180°) rispetto a V1, infatti facendo LKT (legge di Kirchhoff alle tensioni) si ha: V1   E10 (vedi diagramma vettoriale) La corrente magnetizzante, circolando negli avvolgimenti, genera un flusso Φ0 sinusoidale dato dalla relazione: Φ0 = N1∙I1 Da essa, essendo N1 un numero puro, si vede che il flusso e la corrente magnetizzante sono in fase (vedi diagramma vettoriale) Tale flusso, in base all’ipotesi di nessun flusso disperso, si chiude tutto attraverso il circuito magnetico e attraversa l’avvolgimento secondario formato da N2 spire, di conseguenza è lecito esprimere la relazione: Φ0 = N2∙I2 Uguagliando le due espressioni si ottiene:  0  N1 I   N 2 I 2 
N1  I 2

N2
I1
dove il segno “–“ nasce dalla legge di Lenz ‐ Ampere, ed esprime che la corrente di secondario è in controfase rispetto alla corrente di primario (vedi diagramma vettoriale). Passando al secondario, si ha che la corrente I2 = 0 perché il circuito è aperto, e che la tensione E2 = V2 (LKT al secondario). Si osserva che V2 è in controfase con V1. In conclusione le equazioni che regolano il funzionamento del trasformatore a vuoto sono: E10 N1  I 2


k
E20 N 2
I1
k si chiama rapporto spire. 5 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero Macchine elettriche parte 1 Si osserva che: k  1  E10  E20 (trasformatore innalzatore)
k  1  E10  E20 (trasformatore di isolamento)
k  1  E10  E20 (trasformatore abbassatore) Funzionamento sotto carico e digramma vettoriale I1
N1
V1
I2
N2
I1
I' 1
1
V1
V2
Zc
I 
0
 2  C
E 10
E 20
0
I2
V 2= E 10
E 10
Se al secondario di un trasformatore attacchiamo un carico (una stufa, una lampada, un motore etc.), nasce una corrente I2, sfasata di un certo angolo 2 o c dovuto al carico (vedi il grafico vettoriale), facendo LKT al secondario si ottiene: E20  V2 (in fase con V2) (il pedice i0 con i = 1, 2 indica che si fa riferimento al valore di tensione quando il trasformatore funziona a vuoto). Attraverso il rapporto spire si ricavano i valori di: E10 N1

 k  E10  kE20 In fase con E 20 
E20 N 2
 I 2 N1
1

 k  I1   I 2 In controfase rispetto a I 2 
I1
N2
k
(Vedi diagramma vettoriale). Si osserva che la I1 è diversa da quella magnetizzante, infatti, essa contiene sia la corrente magnetizzante sia la corrente che nasce a causa del carico, cioè dalla nascita di I2. Applicando adesso la LKT al primario si ha: V1   E10 (in controfase a E10) 6 Appunti di elettrotecnica corso nautico prof Catalano Giampiero