a.a. 2017/2018 Stefano Bifaretti Vincenzo Bonaiuto Dipartimento di Ingegneria Industriale

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1 a.a. 2017/2018 Stefano Bifaretti Vincenzo Bonaiuto Dipartimento di Ingegneria Industriale

2 La macchina sincrona è stata, fino ad alcuni anni fa, prevalentemente utilizzata come generatore. Il suo impiego come motore era limitato a quelle particolari applicazioni in cui si rendeva necessario mantenere rigorosamente costante la velocità impressa al carico oppure occorreva mantenere sincrone tra loro le velocità di più macchine. Solo negli ultimi anni, lo sviluppo dei convertitori statici ha reso possibile il pratico impiego di macchine sincrone come attuatori a velocità variabile. 2

3 Il rotore della macchina sincrona presenta un avvolgimento monofase in corrente continua che svolge la funzione di induttore. La struttura magnetica del rotore può essere realizzata secondo due diverse modalità costruttive. L avvolgimento rotorico può essere : a) Distribuito in cave disposte all esterno del rotore -> la riluttanza magnetica è uguale in ogni direzione trasversale della macchina (macchina isotropa) b) avvolto su espansioni polari -> la riluttanza magnetica è diversa a seconda della direzione (macchina anisotropa). 3

4 Macchina a poli lisci (isotropa) Il rotore a poli lisci ha, in genere, un numero di coppie polari p 2. Lo statore, che svolge la funzione di indotto, è di forma cilindrica e viene realizzato in ferro lamellato. All interno delle cave di indotto sono alloggiate le matasse di indotto che, collegate fra loro, gli avvolgimenti di indotto analoghi a quelli di una macchina asincrona. D t 4

5 Rotori a poli lisci di alternatori di elevata potenza (2 poli) (4 poli) 5

6 Rotore di una macchina sincrona a poli salienti (anisotropa) 4 poli t 36 cave di statore N n D F F S angolo meccanico fra m le cave m passo polare D t p D 4 6

7 Rotore a poli salienti di un alternatore di elevata potenza anelli di alimentazione dell induttore 7

8 Gli estremi dell avvolgimento rotorico sono accessibili dall esterno mediante anelli e spazzole; in alcuni casi, per evitare contatti striscianti, l alimentazione del circuito di rotore è effettuata impiegando un trasformatore rotante collegato all avvolgimento rotorico mediante un raddrizzatore a diodi posto sul rotore stesso. spazzole rotore anelli 8

9 Gli estremi dell avvolgimento rotorico sono accessibili dall esterno mediante anelli e spazzole; in alcuni casi, per evitare contatti striscianti, l alimentazione del circuito di rotore è effettuata impiegando un trasformatore rotante collegato all avvolgimento rotorico mediante un raddrizzatore a diodi posto sul rotore stesso. Nelle macchine sincrone di piccola potenza, il campo induttore è normalmente ottenuto impiegando, invece che un avvolgimento di eccitazione, appositi magneti inseriti nel rotore (macchine a magneti permanenti). 9

10 Motore sincrono a magneti permanenti Statore Avvolgimento di statore Rotore Magneti esterni al rotore 10

11 Motore sincrono a magneti permanenti Motore sincrono a magneti interni al rotore 11

12 N S Schema di principio 12

13 Principio di funzionamento B B p M sin Consideriamo una macchina sincrona trifase alimentata da una terna equilibrata e simmetrica con pulsazione (frequenza di linea). Le bobine di ciascun avvolgimento rotorico sono alimentate dalla corrente continua I e sono disposte in modo tale che la distribuzione di flusso generata da ciascuna bobina sia approssimativamente sinusoidale. Tale effetto è realizzato disponendo opportunamente i gruppi di bobine di ciascun avvolgimento lungo la superficie del rotore. Essendo le bobine spaziate, il flusso totale può essere ottenuto come somma dei flussi dei singoli avvolgimenti. Il flusso totale, per un osservatore solidale con lo statore, varia in modo sinusoidale rispetto all angolo e presenta ampiezza costante 13

14 Campo magnetico rotante B M è il valore massimo che si presenta in corrispondenza dell asse di simmetria di ciascun polo (asse polare) ove il traferro ha lo spessore minimo. B B p M sin L induzione si annulla in corrispondenza dell asse di mediano tra due poli (asse interpolare). Di conseguenza il rotore, tramite questa corrente continua che alimenta gli avvolgimenti di indotto, forma un magnete permanente. Poiché la tensione di linea è sinusoidale, lo sarà anche la corrente nelle bobine e, di conseguenza, lo saranno anche i relativi flussi generati. 14

15 Principio di funzionamento Il magnete permanente costituito dal rotore è quindi immerso in un campo magnetico che varia anche esso con legge sinusoidale. I poli del magnete saranno opposti a quelli generati dagli avvolgimenti di statore e quindi si genera una coppia che mette in rotazione il rotore. Quando il rotore supererà leggermente questa posizione, troverà la polarità dell elettromagnete invertita (a causa della sua natura sinusoidale) e sarà nuovamente respinto continuando la rotazione. 15

16 Velocità di sincronismo La velocità di sincronismo dipende solo dalla pulsazione delle tensioni di eccitazione e dal numero di coppie polari. Al crescere del numero di coppie polari p diminuisce la velocità della macchina. s p Il campo magnetico che ruota "elettromagneticamente" nello statore e il campo magnetico che ruota meccanicamente nel rotore devono restare sempre allineati La velocità in giri/min 120 f 60 f n s 2 p p è detta velocità di sincronismo 16

17 Oltre all avvolgimento di eccitazione, sul rotore può essere presente un avvolgimento in corto circuito simile alla gabbia di un motore asincrono (gabbia smorzatrice). Lo scopo di questo avvolgimento è quello di opporsi ad eventuali differenze tra la velocità istantanea del rotore e la pulsazione dell alimentazione applicata allo statore. La gabbia smorzatrice contribuisce a ridurre le eventuali coppie alternative dovute ad armoniche presenti nelle tensioni o nelle correnti di alimentazione, oppure ad armoniche di spazio, dovute alla distribuzione non perfettamente sinusoidale del flusso e degli avvolgimenti statorici della macchina. 17

18 In macchine di piccola potenza (dell ordine di qualche kw), inoltre, la gabbia smorzatrice può permettere l avviamento della macchina anche quando la frequenza applicata allo statore venga mantenuta costante (macchine autoavvianti). 18

19 Nel ricavare i modelli che descrivono il comportamento dinamico della macchina sincrona, si prenderà in considerazione la struttura più complessa, caratterizzata da un rotore con struttura anisotropa e gabbia smorzatrice. In analogia a quanto visto per il motore asincrono, l avvolgimento di statore e la gabbia smorzatrice possono venire schematizzati con un modello bifase, riferito ad assi fissi o rotanti. L avvolgimento di rotore è, invece, monofase; per ricavare un modello a parametri costanti è, quindi, necessario che il sistema di riferimento ruoti in sincronismo con il rotore. 19

20 Scegliendo la direzione dell asse d in modo che risulti coincidente con quella dell asse dell avvolgimento rotorico si ha: 20

21 Nell ipotesi di linearità dei circuiti magnetici, le componenti dei flussi e quelle delle correnti sono legate tra loro dalle seguenti relazioni: 21

22 Se si moltiplicano ambo i membri della prima equazione per i sd, quelli della seconda per i sq, quelli della terza per i r, quelli della quarta per i gd e quelli della quinta per i gq e si sommano membro a membro le equazioni ottenute, si ricava: 22

23 Dal bilancio energetico, si ricava, quindi, che il termine: è pari alla potenza elettrica trasferita in potenza meccanica. La coppia elettromagnetica assume, quindi, la seguente espressione: 23

24 Altra espressione della coppia elettromagnetica: 24

25 Le macchine sincrone a riluttanza variabile presentano una struttura rotorica fortemente anisotropa e priva di avvolgimento di eccitazione; in generale, è, però, presente la gabbia smorzatrice, che consente di ottenere una coppia di tipo asincrono (macchine autoavvianti). Il modello dinamico della macchina si riduce a: 25

26 Nei motori a magneti permanenti, l eccitazione della macchina è ottenuta mediante l inserzione sul rotore di magneti dello stesso tipo di quelli impiegati nei motori in corrente continua. A seconda della disposizione dei magneti, il circuito magnetico può risultare isotropo o anisotropo; i magneti possono, infatti, essere incollati sulla superficie esterna oppure essere inseriti all interno della struttura rotorica. Nel primo caso, la struttura magnetica può essere considerata isotropa, mentre nel secondo risulta sensibilmente anisotropa. 26

27 La presenza dei magneti permanenti produce un effetto analogo a quello che si ottiene alimentando il circuito di rotore di un motore tradizionale mediante un generatore a corrente costante. Inoltre, le macchine a magneti permanenti non presentano gabbia smorzatrice; pertanto, il loro modello dinamico si riduce a: 27

28 in cui F m il flusso prodotto dai magneti permanenti e concatenato con l avvolgimento di statore. L espressione della coppia elettromagnetica, a sua volta, può essere riscritta come: 28

29 Quando l avvolgimento di statore è alimentato mediante una terna simmetrica di tensioni sinusoidali, a regime permanente, la velocità angolare W risulta pari alla pulsazione delle tensioni di alimentazione; le componenti delle tensioni, delle correnti e dei flussi sono, quindi, costanti. Particolarizzando il modello della macchina per il regime permanente, si ottiene: 29

30 30

31 Dal modello generale si ricava essendo 31

32 A parità di tensioni applicate ai circuiti di statore e di rotore, la coppia elettromagnetica dipende dalla direzione del vettore rappresentativo della tensione statorica rispetto agli assi di riferimento. 32

33 Si può ricavare la seguente espressione approssimata 33

34 Quando d è positivo, la macchina funziona da motore mentre, per d negativo, essa funziona da generatore. Nel funzionamento a vuoto l angolo d è praticamente nullo; pertanto, l asse d si trova in ritardo di un angolo pari a /2 rispetto alla direzione del vettore rappresentativo della tensione statorica. All aumentare del carico, l angolo d (e, quindi, il ritardo dell asse d) aumenta fino ad un valore, d g, in corrispondenza al quale la coppia elettromagnetica assume il suo valore massimo C max. 34

35 Se la coppia resistente aumenta ancora, l angolo d continua ad aumentare, ma la coppia elettromagnetica diminuisce; il motore non riesce, quindi, a produrre una coppia pari a quella resistente per cui la sua velocità angolare diminuisce o, come si dice, il motore perde il passo. In tale situazione, il campo rotante di statore e quello di rotore non risultano più sincroni; si genera, allora, una coppia di tipo alternativo, il cui valore medio è estremamente ridotto, per cui il motore si ferma. Un comportamento duale si verifica, quando la macchina funziona da generatore. 35

36 Macchina sincrona Una caratteristica importante di una macchina sincrona è che questa è in grado di generare una coppia elettromagnetica costante La struttura degli avvolgimenti è la stessa sia che si tratti di motore che di generatore In un generatore la coppia elettromagnetica è una coppia di reazione che si oppone alla rotazione della macchina: è la coppia contro cui lavora il motore primo, cioè quello che tiene in movimento l asse della macchina. In un motore, al contrario, la tensione rappresenta la forza controelettromotrice 36

37 Considerazioni finali sul motore sincrono La coppia motrice in un motore sincrono risulta continua solo se il rotore è sincrono con il campo magnetico rotante, cioè se ruota alla stessa velocità del campo rotante La caratteristica principale del motore sincrono è quella di ruotare esattamente alla stessa velocità del campo rotante generato dallo statore, quindi tale motore non è autoavviante In un motore sincrono la velocità è costante e non dipende dal valore del carico a cui è soggetto il motore 37

38 Generatore sincrono: l alternatore L avvolgimento di campo è sul rotore e il collegamento è realizzato per mezzo di spazzole. Il campo di rotore si ottiene per mezzo di una corrente continua fornita all avvolgimento del rotore (o mediante magneti permanenti) Il rotore è collegato ad una sorgente di potenza meccanica e ruota ad una velocità che supponiamo costante. La distribuzione del flusso risultante è tale che il flusso compie un numero di giri intorno alla circonferenza del traferro pari al numero di coppie polari. Es: in un alternatore a 2 coppie polari il flusso vedrà due cicli completi in una rotazione del motore e, quindi, la tensione generata dalle bobine oscillerà ad una frequenza doppia rispetto alla frequenza di rotazione. Alternatore sincrono monofase Westinghouse, kva, 6 kv, 25 Hz 500 g/min, 6 poli Eccitazione 120 V, 60 A asse orizzontale, supporti a cavalletto f pn 60 38

39 Motori primi Per macchine di grande potenza si utilizzano: turbine idrauliche turbine a vapore turbine a gas macchine eoliche Per macchine di minor potenza si usano anche motori diesel (ad esempio nei gruppi di alimentazione di emergenza) o motori elettrici (ad esempio nei gruppi rotanti per la conversione della frequenza) Turbina Pelton Turbina Kaplan 39

40 Alternatore azionato da motore diesel azionato da turbina a vapore 40

41 Alternatore ad asse verticale azionato da turbina Kaplan Alternatore ad asse verticale con trave portante superiore Schema di girante Kaplan di elevata potenza 41