Impianti navali B
Parte 5
II semestre 2013
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1
Motore a induzione (o asincrono) (I)
il motore a induzione è una macchina elettrica rotante nella quale il rotore gira ad
una velocità inferiore a quella imposta dal campo magnetico rotante.
il nome asincrono sta a significare che il rotore non è sincronizzato con il campo
generato dallo statore
il motore asincrono (a differenza di quello sincrono) non ha un sistema separato di
eccitazione che crea un campo magnetico sul rotore
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Motore a induzione (o asincrono) (II)
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3
Motore a induzione (o asincrono) (III)
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4
Motore a induzione (o asincrono) (IV)
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5
Motore a induzione (o asincrono) (V)
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6
Motore a induzione (o asincrono) (VI)
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Motore a induzione – Principio di funzionamento (I)
Alimentando lo statore di una macchina asincrona avente p coppie di poli con
un sistema trifase simmetrico di tensioni sinusoidali di pulsazione ωS il
conseguente sistema equilibrato di correnti determina un campo magnetico che
ruota rispetto allo statore alla velocità angolare
inducendo nel rotore correnti che a loro volta determinano un campo magnetico
rotorico che ruota alla velocita'
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Motore a induzione – Principio di funzionamento (II)
dall'interazione tra i due campi magnetici ruotanti al sincronismo, si sviluppa
una coppia motrice che porta in rotazione il rotore ad una velocità Ωm di valore
molto prossimo a quello del campo magnetico ruotante statorico
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Motore a induzione – Principio di funzionamento (III)
il rotore non può mai raggiungere la velocità di sincronismo, in quanto se se si
verificasse tale condizione (Ωm=Ωs) non ci sarebbe più moto relativo tra rotore
e campo rotante statorico, pertanto terminerebbe l'effetto induttivo
per la conseguente assenza delle f.e.m. indotte e quindi del campo magnetico
ruotante rotorico, si annullerebbe la coppia motrice
sull'asse del motore è sempre presente, anche in assenza di carichi, una coppia
resistente dovuta ai fenomeni di attrito e ventilazione
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Motore a induzione – Principio di funzionamento (IV)
il rotore può quindi solo inseguire il campo induttore statorico e la differenza tra
Ωm e Ωs è tale da fare circolare nelle fasi rotoriche correnti di intensità tale da
sviluppare la necessaria coppia motrice
il rotore ruota quindi in modo asincrono, da cui il nome di macchina asincrona
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Motore a induzione – Principio di funzionamento (V)
Quando si passa dalla condizione di funzionamento a vuoto a quella di
funzionamento sotto carico il rotore rallenta
ne consegue un aumento dell'ampiezza della tensione indotta nel rotore
quindi la corrente rotorica e la coppia sviluppata dal motore aumentano
fino ad equilibrare la coppia resistente applicata all'asse
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Motore a induzione – Lo scorrimento
nei motori ad induzione la velocità di rotazione reale è leggermente inferiore a
quella del campo magnetico rotante: questo fenomeno è denominato scorrimento,
e viene indicato con il simbolo s o anche s%
la velocita' nominale e' presente tra i dati di targa
indicativamente la velocità reale si discosta da quella calcolata di
3% per i grossi motori (oltre 100kW)
fino al 6-7% per i motori di piccola taglia
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Motore a induzione – Caratteristica Coppia Velocita'
zona A: motore
zona B: freno
zona C: generatore
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Motore a induzione a rotore avvolto
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Motore a induzione a rotore a gabbia (I)
Anche definito rotore in corto circuito
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Motore a induzione a rotore a gabbia (II)
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17
Motore a induzione differenze rotori
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18
Motore a induzione – Dati di targa e connessioni
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19
Motore a induzione – Avviamento stella-triangolo
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Caratteristiche motore a induzione (I)
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21
Caratteristiche motore a induzione (II)
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Caratteristiche motore a induzione (III)
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23
Caratteristiche motore a induzione (IV)
R2 > R1 > R0
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Caratteristiche motore a induzione (V)
R3 > R2 > R1 > R0
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Motore sincrono
Il motore sincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui il periodo
di rotazione (quindi la velocità) è sincronizzato con la frequenza della tensione di
alimentazione, solitamente trifase.
È costituito da un rotore su cui sono presenti
diversi poli magnetici di
polarità alterna
- creati da magneti permanenti
- o elettromagneti alimentati in corrente continua (corrente di eccitazione)
e da uno statore analogo a quello del motore asincrono, su cui sono presenti
gli avvolgimenti del circuito di alimentazione
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Motore sincrono
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Motore sincrono monofase – principio di funzionamento
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Motore sincrono trifase – principio costruttivo
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Motore sincrono – problematiche di avviamento (I)
A motore fermo, l'applicazione della tensione alternata fa si che il rotore, per effetto
dell'inerzia, non abbia il tempo di seguire il campo magnetico rotante, rimanendo fermo .
Il motore puo' essere inizialmente portato alla velocità di rotazione per mezzo di un altro
motore asincrono, quindi, dopo avere scollegato quest'ultimo, viene collegata la tensione di
alimentazione ed inserito il carico meccanico utilizzatore.
Oppure il motore sincrono puo' essere fatto funzionare inizialmente come asincrono,
introducendo nel rotore un avvolgimento cortocircuitato a gabbia di scoiattolo.
Purtroppo quest'ultima soluzione e' incompatibile con la presenza sul rotore di magneti
permanenti.
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Motore sincrono – problematiche di avviamento (II)
Nel caso si vogliano utilizzare magneti permanenti, e non si utilizzino motori
asincroni di avviamento, per avviare il motore si deve agire sulla frequenza:
e' necessario ridurre la frequenza e quindi la velocita' di rotazione del campo
statorico, fino ad agganciare il campo rotorico
aumentando gradualmente la frequenza si porta il motore a regime
opportuni dispositivi elettronici provvedono a variare con continuita' la
frequenza da 0 a diverse centinaia di Hz (tipicamente 400 Hz)
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Motore sincrono – caratteristica meccanica
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Motori AC monofase – correnti di lavoro
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Motori AC trifase – correnti di lavoro
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Motore brushless
Il motore brushless e' un motore sincrono trifase, a magneti permanenti, alimentato in corrente
continua attraverso un circuito di controllo elettronico
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Motori asincroni – pro e contro
Vantaggi:
molto diffusi per via della loro semplicità costruttiva, economicità;
bassa manutenzione richiesta (quelli con rotore a gabbia non hanno contatti
striscianti).
Svantaggi:
sono utilizzabili fino a potenze di 4÷5 MW;
la velocità di rotazione non è rigorosamente costante con la frequenza ma
presenta uno scorrimento (1,2 ÷ 8%);
hanno un fattore di potenza di circa cosϕ = 0.8.
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Motori sincroni – pro e contro
Vantaggi:
usati soprattutto come generatori, come motori hanno una velocità
rigorosamente costante con la frequenza di alimentazione;
sono necessari per potenze elevate;
particolarmente indicati nel caso di generatori asse che possono funzionare anche come
motori di propulsione, in condizioni di guasto dei motori principali a
combustione, per
riportare in porto la nave (take me home);
se opportunamente impostata l’eccitazione, si può eliminare la potenza reattiva
(cosϕ=1), se l’eccitazione è generata da magneti permanenti questa operazione non è
possibile.
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Motori sincroni – pro e contro
Svantaggi:
sono più complessi degli asincroni;
hanno contatti striscianti (spazzole su anelli rotanti) per alimentare il rotore
(eccitazione in CC), quindi richiedono più manutenzione
se il rotore è a magneti permanenti non si hanno i contatti striscianti, ma non è
possibile variare l’eccitazione del motore.
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Alternatore
L'alternatore è una macchina elettrica rotante, che trasforma energia meccanica in
energia elettrica sotto forma di corrente alternata
Svolge in pratica l'azione inversa rispetto al motore sincrono e presenta la stessa
struttura di base
esempi:
in nautica il generatore asse
grandi centrali di produzione di energia elettrica (idroelettriche, termiche o
nucleari)
veicoli
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Dinamo
La dinamo è una macchina elettrica rotante, che trasforma energia meccanica in
energia elettrica sotto forma di corrente continua.
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Confronto tra motori AC e DC
Introduzione
Il mercato dei motori elettrici degli anni 2000 è sempre più dominato dai motori
asincroni trifasi, anche detti motori ad induzione.
Questa tendenza è cominciata nel finire degli anni ‘80, quando i transistor di tipo
IGBT hanno raggiunto una elevata qualità ed affidabilità.
Questi componenti, infatti, si sono dimostrati fondamentali per lo sviluppo
dell’elettronica di potenza al fine di realizzare dispositivi per il controllo dei motori
asincroni trifasi, ossia gli Inverter.
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Confronto tra motori AC e DC
Prima di allora la regolazione della velocità sui motori asincroni trifasi era pressoché
impossibile, e si attuava o con sistemi meccanici (variatori di giri) o con sistemi
elettromeccanici, ma con notevoli perdite energetiche.
Si ricorreva quindi ai motori in corrente continua a collettore.
Gli inverter negli anni ‘90 si sono sempre più affermati per il controllo di velocità dei
motori asincroni, e tale tecnologia, nella metà degli anni 90, ha visto l’introduzione
di un nuovo modello ancora più rivoluzionario del primo : gli inverter “vettoriali”.
Con questa tecnologia si è praticamente arrivati al controllo del motore asincrono
trifase completo e di grande precisione, tale da rendere il motore in corrente
continua obsoleto.
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Confronto tra motori AC e DC
Attualmente
il
mercato
italiano
dei
motori
elettrici
in
bassa
tensione
è
indicativamente così suddiviso (statistiche ANIE 2000-2004) :
Motori Asincroni Trifasi 80%
Motori Brushless 16%
Motori in Corrente Continua 4%
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Confronto tra motori AC e DC
Il confronto
Vediamo un confronto tra il motore in corrente continua a collettore ed il motore ad
induzione a gabbia di scoiattolo proprio per approfondire questa evoluzione del
mercato.
Il confronto è tra due ipotetici motori con le stesse caratteristiche (in particolare in
termini di potenza).
L’ipotesi comprende un sistema di controllo elettronico per entrambi i motori : un
inverter per il motore AC, ed un convertitore- regolatore per il motore DC.
Il segno di spunta ( √ ) indica il dato più favorevole.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Dimensioni
Motore AC
Motore DC
Minore √
Maggiore
Il motore DC occupa uno spazio maggiore :
in lunghezza, dato che ha il collettore con le spazzole
in altezza, in quanto il rotore ha un diametro maggiore, per la presenza
degli avvolgimenti e soprattutto per problemi dovuti alla commutazione
per il raffreddamento del rotore e del collettore, che necessitano di un
efficiente ed ampio sistema di ventilazione.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Temperatura Massima
Motore AC
Alta √
Motore DC
Media
Nel motore AC il punto di maggior riscaldamento è negli avvolgimenti statorici.
Il rotore infatti essendo a gabbia può sopportare temperature maggiori, quindi non
necessita di alcun controllo.
Essendo lo statore a diretto contatto con la carcassa del motore, lo smaltimento del
calore verso l’esterno è piuttosto semplice, e avviene per conduzione dal metallo
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Caratteristiche meccaniche dei motori
dello statore alla carcassa in ferro o allumino, che esternamente è anche dotata di
apposite alettature.
Nel motore DC il calore viene sviluppato prevalentemente nel rotore, e lo
smaltimento può avvenire solamente mediante ventilazione forzata, che ha una
potenza da aggiungere all’assorbimento elettrico del motore.
Il motore DC quindi deve mantenersi su temperature di funzionamento più basse.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Grado di protezione
Motore AC
Qualsiasi √
Motore DC
Qualsiasi ma con limitazioni
I motori AC sono disponibili con qualunque grado di protezione : da IP44 a IP65, da
ADPE ad AD-FE, ecc.
Nei motori in corrente continua un aumento nel grado di protezione, seppur
possibile, riduce la temperatura di funzionamento in quanto limita il raffreddamento
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Manutenzione
Motore AC
Nessuno √
Motore DC
Notevole
A parte l’eventuale usura dei cuscinetti, che è equivalente nei due motori, i motori
DC necessitano di operazioni di manutenzione molto frequenti (la sostituzione delle
spazzole) ed altre molto complesse (la rettifica del collettore) che richiedono un
fermo macchina di diversi giorni se non addirittura settimane.
Le macchine di notevole potenza richiedono anche un interruttore termico nel rotore
per la protezione degli avvolgimenti, che anch’esso richiede manutenzione.
Al contrario nel motore AC non è necessaria nessuna manutenzione.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Momento d' inerzia
Motore AC
Motore DC
Minore √
Superiore
Il motore DC ha un diametro maggiore di quello AC, e questo si ripercuote sul
momento d’inerzia : questa caratteristica sta a significare che il motore AC possiede
una maggiore accelerazione a parità di coppia, e quindi una “agilità” migliore.
Si può quindi dire che il motore AC possiede una maggior “prontezza”.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Robustezza meccanica
Motore AC
Ottima √
Motore DC
Bassa
I motori DC presentano un punto debole nel rotore : l’isolamento degli avvolgimenti
può deteriorarsi molto rapidamente sia per le sollecitazioni meccaniche (marcia,
arresto, accelerazioni, ecc) sia per quelle termiche.
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Velocità
Motore AC
Maggiore √
Motore DC
Inferiore
Nei motori DC la presenza del collettore impedisce di raggiungere elevate velocità,
in quanto lo scintillio raggiungerebbe livelli inaccettabili portando ad un calo del
rendimento del motore
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Caratteristiche meccaniche dei motori
Protezione termica
Motore AC
Semplice √
Motore DC
Complessa
Per proteggere termicamente un motore AC, è sufficiente installare un sensore tra
gli avvolgimenti dello statore.
Il rotore infatti essendo a gabbia può sopportare temperature maggiori rispetto allo
statore, quindi non necessita di alcun controllo.
Nel motore DC invece il punto critico in fatto di temperatura è proprio il rotore, nel
quale non è possibile installare delle proprie sonde di temperatura.
Per i motori di grossa potenza si usa un interruttore termico, molto sofisticato e
costoso, che viene installato nel rotore stesso.
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Caratteristiche elettromeccaniche
Limiti di Potenza
Motore AC
Nessuno
√
Motore DC
kW * RPM < 2.600.000
I motori DC hanno dei limiti costruttivi che per i motori AC praticamente non
esistono :
in pratica in commercio non si trovano motori DC il cui prodotto tra la potenza e il
numero di giri al minuto superi 2,6 * 106.
Da ciò si deduce, ad esempio, che è praticamente impossibile trovare sul mercato
un motore da 3000 rpm con una potenza di 1000 kW.
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Caratteristiche elettromeccaniche
Limiti di tensione
Motore AC
BT ed MT (fino a 10 kV) √
Motore DC
BT (mediamente 500V)
Nei motori DC la vicinanza delle lamelle del collettore non permette la costruzione
di motori con tensioni nominali elevate.
Eccezionalmente, nel settore ferroviario, si arriva a 4000V con motori speciali.
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Caratteristiche elettromeccaniche
Risposta ”Elettrica”
Motore AC
Motore DC
Maggiore √
Inferiore
Nei motori AC la costante di tempo elettrica è molto bassa, in quanto la variazione
di corrente, e quindi di coppia, è limitata dalla sola induttanza di dispersione degli
avvolgimenti statorici.
Nei motori DC invece la presenza del collettore inserisce un ritardo “meccanico”
difficilmente quantificabile.
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Caratteristiche elettromeccaniche
Rendimento
Per capire il rendimento delle due tipologie di motori (convertitori esclusi)
analizziamo le tabelle proposte dal libro “Mario Pezzi - Macchine Elettriche” ed i
rendimenti indicati per i motori Asincroni e DC di ABB :
Potenza
Motore AC
Motore DC
1 kW
80%
75%
10 kW
87%
77%
50 kW
94%
84%
100 kW
95%
90%
350 kW
96%
92%
97%
93%
1 MW
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Caratteristiche elettromeccaniche
Si deduce quindi che per il rendimento :
Motore AC
Ottimo
Motore DC
√
Buono
NOTA :la tabella non comprende i motori AC ad alta efficienza standardizzati per i
costruttori Europei dal consorzio CEMEP .
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Considerazioni finali
Costi
Motore AC
Motore DC
Modesto
Elevato
Inverter Vettoriale AC
Elevato
Convertitore DC
Elevato
Conclusioni
Il motore asincrono trifase a gabbia di scoiattolo si dimostra vincente su tutti i
fronti.
I lati positivi del motore AC, del resto, sono già noti : è affidabile, compatto,
economico, funziona alla tensione di rete, e non necessita di manutenzione.
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Considerazioni finali
Sul mercato sono disponibili centinaia di modelli di motori asincroni, spesso a
pronta
consegna, e questo consente un vantaggio non trascurabile sui motori DC : si evita
di tenere a magazzino motori di scorta per far fronte ad un eventuale guasto.
Le prestazioni dei moderni azionamenti AC, infine, realizzati con gli inverter
vettoriali, talvolta superano le prestazioni di quelli realizzati con motori DC.
Questo elemento, unito a tutti i vantaggi evidenziati per il solo motore AC, dimostra
come sia ormai superfluo utilizzare gli azionamenti DC, i quali già oggi sono relegati
ad una ristretta nicchia di mercato.
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