1 – Raffreddamento delle macchine elettriche
Le perdite sono proporzionali al peso del componente.
s
La cessione all’ambiente del calore prodotto da tali perdite, avviene
attraverso la superficie esterna.
Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi
le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della
superficie esterna della macchina, aumentano più rapidamente della
superficie di scambio termico attraverso la quale vengono dissipate .
Quindi: all’aumentare della potenza di una macchina elettrica devono
essere adottati sistemi di raffreddamento più efficaci che portino ad un
maggior scambio termico (W/cm2) sulla superficie di scambio
1
Raffreddamento dei trasformatori
Rete termica equivalente in regime stazionario di un trasformatore
Gcu-fe~ 0
olio
ol
cu
Fe
Cu
fe
Pcu
Pfe
O
2
Sigle prevista dalle Norme CEI per il raffreddamento dei trasformatori
1a lettera
2a lettera
3a lettera
Mezzo refrigerante a contatto con gli
avvolgimenti
Natura del mezzo
Tipo di circolazione
Natura del mezzo refrigerante
simbolo
Olio isolante (infiammabile)
O
Liquido isolante non infiammabile
L
Gas
G
Acqua
W
Aria
A
Tipo di circolazione
Naturale
N
Forzata non guidata
F
Forzata e guidata
D
4a lettera
Mezzo refrigerante a contatto con il sistema
esterno di raffreddamento
Natura del mezzo
Tipo di circolazione
esempi
ONAN
Trasformatore in olio con
circolazione naturale dell’olio e
dell’aria
ONAF
Trasformatore in olio con
circolazione naturale dell’olio e
forzata dell’aria
AN
Trasformatore a secco con
raffreddamento naturale dell’aria
ANAF
Trasformatore a secco con
raffreddamento naturale dell’aria
all’interno e forzata all’esterno
3
A secco con ventilazione naturale
in aria : AN
a secco
in resina
4
In olio con circolazione naturale dell’olio e
raffreddamento naturale in aria: ONAN
5
Trasformatore in olio a raffreddamento naturale del’olio e dell’aria (ONAN)
serbatoio
olio
radiatori
6
In olio con circolazione
naturale dell’olio raffreddato
ad aria forzata: ONAF
aria
aria
olio
In olio con circolazione
forzata
e
guidata
dell’olio raffreddato ad
aria forzata: ODAF
aria
7
Trasformatore circolazione guidata dell’ olio e con ventilazione forzata (ODAF)
8
olio
In olio con circolazione forzata e
guidata dell’olio raffreddato con
scambiatori ad acqua: ODWD
acqua
scambiatori di
calore
scambiatori
di calore
9
Fotografia all’infrarosso di un trsaformatore in servizio
(in rosso le parti a temperatura maggiore)
10
Raffreddamento di macchine rotanti di piccola potenza
rotore con palette di ventilazione
circuito aperto
ventilazione di macchina chiusa
11
Raffreddamento di motori di piccola potenza
alette di ventilazione
ventola
12
Raffreddamento di macchine rotanti di potenza
macchina
ad
asse
orizzontale raffreddata
in ciclo aperto
macchina
ad
asse
orizzontale raffreddata
in ciclo chiuso
refrigerante
13
Macchina di potenza con raffreddamento ad aria in circuito aperto
alette di raffreddamento
ventola di raffreddamento
14
Schema di raffreddamento in circuito aperto di un alternatore ad asse verticale
15
Schema di raffreddamento in circuito chiuso di un alternatore ad asse
verticale
refrigeranti
16
Raffreddamento in circuito chiuso dello statore di un alternatore di grande potenza
pannelli di
refrigerazione
17
Generatore sincrono a 4 poli con ventilazione bilaterale ad aria
(2 ventilatori assiali e canali radiali nel nucleo magnetico)
ventilatori
assiali
18
Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore
l’aria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina
apparecchiature di
refrigerazione per l’aria
19
Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua
demineralizzata nell’avvolgimento di statore
20
Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno ed acqua
demineralizzata nell’avvolgimento di statore
acqua demineralizzata
scambiatori di calore per il
raffreddamento dell’idrogeno
idrogeno
ventilatore
centrifugo
canali di raffreddamento nel
nucleo statorico
21
Avvolgimento statorico raffreddato ad acqua
acqua demineralizzata di
raffreddamento
blocco sostegno
camera acqua
piattine di
rame pieno
piattine cave in acciaio
inox per la circolazione
dell’acqua
blocchi di rame per il
collegamento delle barre
dell’avvolgimento
camera acqua in
acciaio inox
22
Conduttore attivo di statore raffreddato ad acqua
bietta
isolamento
fori di adduzione dell’acqua
di raffreddamento
23
Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento
dello statore
avvolgimento
deionizzatore
filtro
refrigerante
serbatoio
polmone
pompe di
circolazione
24
V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m 3/s]
θe = temperatura in entrata [°C]
θu = temperatura in uscita [°C]
δ = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3]
cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C]
Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff.
contenuto termico specifico Asp = δ · cp
θm
θ − θe
= u
2
Portata volumetrica specifica
[W]
J kg
J
=
kg ⋅ ° C m 3 m 3 ° C
V=
Vsp =
P = δ c pV (θ u − θ e )
P
2 Asp (θ u − θ e )
V
1
=
P 2 Asp (θ u − θ e )
25
[m 3 /s]
[m 3 /W ⋅ s]
Vsp =
1
2 Asp ∆ θ
Asp
∆ θ (°C)
Vsp
aria
1150 (J/°C m3)
25
2,1 (m3/kW min)
olio
1550 (J/°C dm3)
14
2,7 (dm3/kW min)
acqua
4180 (J/°C dm3)
14
1,0 (dm3/kW min)
idrogeno
1220 (J/°C m3)
25
1,9 (m3/kW min)
Fluido
26
α = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti
γ = peso specifico del gas di raffreddamento
c = calore specifico a pressione costante
k = conducibilità termica del gas
η = viscosità del gas
aria
c = 1009 J/°C kg ; α = 1/293 ; γ = 1,2 kg/m3
k = 0,025 W/°C m ; η = 0,185 10-4 kg/s
idrogeno
c = 14.500 J/°C kg ; α = 1/293 ; γ = 0,084 kg/m3
k = 0,185 W/°C m ; η = 0,090 10-4 kg/s (W/m2)
27
3 – Transitorio termico
Facciamo riferimento al calore trasferito per unità di tempo [J/s]
calore dissipato all’esterno pd
calore prodotto
p
calore accumulato nella massa del materiale pa
p = pd + pa
Tm : temperatura del materiale
T0 : temperatura ambiente
28
Equazione del transitorio termico
pd = Gd Tm
dQa
d ( Tm − T0 )
pa =
= mc p
dt
dt
ponendo T0 = 0
Ctm = m ⋅ c p
capacità termica del materiale
Gd ≅ k g A
conduttanza termica complessiva
kg
coefficiente globale di trasmissione
A
superficie della macchina
pa =
29
dQa
dT
= mc p m
dt
dt
Rete equivalente termica
i→
V→
G→
C →
P
T
Gd
Ctm
•
i
ic
id
V
rete elettrica
C
G
•
•
p
pa
pd
Gd
Ctm
•
O
Tm
rete equivalente termica
O (ambiente)
30
Transitorio di riscaldamento
(
T ( t ) = Tr 1 − e − t τ
)
τ
Tr
T(t)
t
Ctm mc p
τ =
=
Gt
kA
Tr =
Pp
Gt
=
Pp
kA
31
τ
Tr
riscaldamento
(
T ( t ) = Tr 1 − e − t τ
)
t
Tr
raffreddamento
T ( t ) = Tr e − t τ
τ
t
32
Trasformatore: rete termica equivalente in regime stazionario
Gcu-fe~ 0
olio
ol
cu
Fe
Cu
fe
Pcu
Pfe
O
33
Trasformatore: rete termica equivalente in regime transitorio
olio
cu
Fe
Cu
Ccu
fe
ol
Pfe
Pcu
O
34
Cfe
Bruschi aumenti di temperatura
Quando un aumento di temperatura avviene con un transitorio molto rapido (ad
esempio in caso di corto circuito), si può in prima approssimazione ritenere che il
processo sia adiabatico:
quindi tutto il calore prodotto serve ad aumentare la temperatura della macchina:
∆T
t
=
ρ
J2
cp δ
di solito si presume che l’intervento delle protezioni avvenga in 1s: t = 1 s
35
Servizio di durata limitata
Si ha quando una macchina, inizialmente a temperatura ambiente (T = 0)
• fornisce una potenza superiore alla nominale, con una potenza perduta Pp
• rimane in servizio per un tempo t1 fino a raggiungere la temperatura Tmax
• rimane fuori servizio fino a che la sua temperatura torna ad essere quella ambiente
Tr
Tmax =
Pp
Gt
(1 − e )
− t1 τ
Tmax (t = ∞ ) =
Pp
Ppn
=
T
Tmax
Ppn
Gt
τ =
1
1 − e − t1 τ
τ
Ctm
Gt
t1
Ppn: potenza dissipata quando la macchina eroga la potenza nominale
36
t
Sovraccarico ammissibile nel servizio di durata limitata
A temperatura massima ammissibile Tmax costante:
• Pp : potenza dissipata in sovraccarico
• Ppn : potenza dissipata a potenza nominale
• t1 : durata del servizio in sovraccarico
Pp
Ppn
2.5
2.0
τ =
m cp
Ctm
=
Gt
kA
1.5
1.0
1
2
3
4
5
37
t1 τ
6
Servizio intermittente
T
t1
t2
t
tc = t1 + t2
Rapporto di intermittenza
t1
t1
Rint =
× 100 = × 100
t1 + t 2
tc
38
