La macchina sincrona (3 parte): raffreddamento, eccitatrici, impedenza sincrona, curve di prestazione limite, motore sincrono

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1 La macchina incrona (3 parte): raffreddamento, eccitatrici, impedenza incrona, curve di pretazione limite, motore incrono Lucia FROSINI Dipartimento di Ingegneria Indutriale e dell Informazione Univerità di Pavia lucia@unipv.it 1 Raffreddamento degli alternatori Gli alternatori idraulici ono raffreddati empre in aria: il rotore funge anche da ventilatore, perciò ono autoventilati. Fanno eccezione gli alternatori idraulici delle centrali di pompaggio: poiché in queti cai i può avere l inverione della velocità dell alternatore, è necearia una ventilazione aitita con elettroventilatori, per aicurare l efficacia del raffreddamento in ogni condizione. I turboalternatori invece, a econda della loro potenza e di celte progettuali, poono preentare il eguente tipo di raffreddamento: in aria (fino a MVA al maimo); in idrogeno (la preione dell idrogeno è generalmente a 35 atmofere); in idrogeno + acqua demineralizzata nell avvolgimento di tatore. Per potenze fino a MVA, a parità di potenza, la macchina raffreddata in idrogeno riulta più piccola e più cara ripetto a quella in aria. Il raffreddamento in idrogeno preenta un rendimento più tabile al variare del carico. 2

2 Raffreddamento dei turboalternatori I principali vantaggi del raffreddamento in aria ono rappreentati da: requiiti di icurezza non condizionati dalla preenza dell idrogeno; aenza di impianti per l idrogeno, la CO 2 e le tenute d olio; attività di getione, controllo e manutenzione della macchina emplificate; tempi di montaggio e per le attività pre-operazionali e d avviamento ridotti. Il raffreddamento in idrogeno invece ha i eguenti vantaggi ripetto all aria: Coefficiente di conducibilità termica 7 volte maggiore; Coefficiente di convezione 1,35 maggiore; Riduzione della contaminazione ambientale; Riduzione del degrado elettrico degli iolanti per effluvi e cariche parziali, grazie all aenza di oigeno e umidità. 3 Raffreddamento dei turboalternatori ventilatori aiali Generatore incrono a 4 poli con ventilazione bilaterale ad aria (2 ventilatori aiali e canali radiali nel nucleo magnetico) 4

3 Raffreddamento dei turboalternatori apparecchiature di refrigerazione per l aria Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore l aria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina 5 Raffreddamento dei turboalternatori Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua demineralizzata nell avvolgimento di tatore 6

4 Raffreddamento dei turboalternatori acqua demineralizzata idrogeno cambiatori di calore per il raffreddamento dell idrogeno ventilatore centrifugo Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno diretto nel nucleo e ad acqua demineralizzata nell avvolgimento di tatore canali di raffreddamento nel nucleo tatorico 7 Raffreddamento dei turboalternatori acqua demineralizzata di raffreddamento blocco otegno 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 Avvolgimento tatorico raffreddato ad acqua 8

5 Raffreddamento diretto a idrogeno Negli alternatori con avvolgimenti di tatore raffreddati direttamente a idrogeno, l idrogeno circola aialmente al centro delle barre di tatore dentro tubi in acciaio inox amagnetico. Queti tubi ono in contatto termico con i conduttori di rame, ma ono iolati elettricamente da queti. 9 Raffreddamento diretto ad acqua Il raffreddamento diretto ad acqua dell avvolgimento di tatore prevede circolazione d acqua all interno di un certo numero di conduttori cavi (che ono generalmente di rame, ma poono eere anche in acciaio inox) all interno delle barre tatoriche. Con queto itema, il punto più caldo dell avvolgimento è mantenuto al di otto degli 80 C, con denità di corrente da 6 a 10 A/mm 2. Ogni barra di tatore comprende conduttori pieni e conduttori cavi. A ciacuna etremità delle barre, tutti i conduttori ono collegati inieme in un alloggiamento in rame o in acciaio inox. La conduttività dell acqua deve eere mantenuta a un valore inferiore a 0,2 S/cm. 10

6 Raffreddamento diretto ad acqua Particolari del itema di raffreddamento diretto ad acqua ulle due tetate di un alternatore da 1300 MVA: Lato turbina Lato eccitazione 11 Raffreddamento diretto ad acqua Particolari di avvolgimenti di tatore con raffreddamento diretto ad acqua. 12

7 Eitono otanzialmente tre tipi di itemi di eccitazione: con dinamo (ormai in diuo), eccitazione tatica, eccitazione bruhle. Sitemi di eccitazione In un turboalternatore a due poli, l avvolgimento di eccitazione è cotituito da due emiavvolgimenti polari immetrici e perfettamente identici (geometricamente e elettricamente). I due emiavvolgimenti ono collegati in erie da una conneione interpolare pota otto la cappa di blindaggio, dal lato degli anelli collettori. 13 Sitemi di eccitazione Gli etremi degli avvolgimenti di eccitazione fanno capo a due anelli collettori, iolati tra loro e rigidamente calettati ull albero. Le pazzole (che ono ferme) ervono per il collegamento al itema di eccitazione in corrente continua: Queto vale per i itemi di eccitazione con dinamo (ormai in diuo) e con eccitazione tatica, mentre i itemi di eccitazione bruhle (come dice il nome) non fanno uo delle pazzole. 14

8 Eccitazione tatica Il itema di eccitazione tatico è cotituito da un gruppo tatico a tiritori, che converte in tenione continua la tenione alternata trifae dell alternatore teo o di una rete auiliaria. Il gruppo tatico è alloggiato in uno o più armadi poti nelle immediate vicinanze dell alternatore. Queto tipo di eccitazione è utilizzato nei turboalternatori accoppiati a turbine a ga e negli idro-alternatori per centrali di pompaggio 15 Eccitazione tatica Ripetto al metodo generalmente utilizzato in paato, cotituito da una dinamo principale eccitata a ua volta da una dinamo auiliaria, entrambi coaiali con l alternatore, il gruppo tatico offre diveri vantaggi: i riducono le dimenioni aiali della macchina; maggior grado di affidabilità; maggiore rendimento; migliore regolazione della corrente di eccitazione (tempi di ripota più veloci). 16

9 Eccitazione bruhle Un altro metodo di eccitazione, tuttora utilizzato, è il coiddetto bruhle, cotituito da un generatore incrono rotante, accoppiato coaialmente, enza pazzole, con l alternatore. Queto generatore ha l avvolgimento induttore fermo (ullo tatore) e l indotto trifae rotante, la cui corrente alternata viene raddrizzata tramite un ponte di diodi (a ua volta rotante) e quindi inviata agli avvolgimenti di eccitazione dell alternatore principale, enza neceità di pazzole. Nel itema di eccitazione bruhle, l avvolgimento di indotto ruota inieme ai diodi e agli avvolgimenti di eccitazione dell alternatore principale (ono tutti coaiali e olidali con l albero). In queto modo il collegamento elettrico tra eccitatrice e avvolgimenti di eccitazione principale avviene enza l impiego di pazzole tricianti. 17 Eccitazione bruhle Rotore (indotto) del generatore auiliario e ponte a diodi 18

10 Rotore a due poli con eccitatrice bruhle: Eccitazione In tutti i cai, l eccitazione dell alternatore deve far ì che la corrente poa variare entro limiti piuttoto ampi, ia per mantenere la tenione al valore voluto al variare del carico, ia per opperire ai cai di funzionamento anomalo (ad e. è neceario agire con una rapida dieccitazione quando all alternatore viene tolto brucamente il carico). Per queto è empre preente un regolatore di tenione automatico (AVR). 19 Eccitazione L eccitatrice tatica è utilizzata nei paei indutrializzati in cui non ci ono problemi di rete ed ha il vantaggio di una velocità di ripota immediata poiché la tenione è ubito quella richieta dall AVR (cotanti di tempo nulle). Richiede ovviamente una otituzione periodica delle pazzole (itema di eccitazione ad anelli, con contatti tricianti). L eccitazione bruhle era preferita, in particolare attorno agli anni 80, perché non richiede la otituzione periodica delle pazzole (non ci ono e quindi non i conumano). È tata molto utilizzata nei paei arabi, dove preferivano intallare la macchina e dimenticarela, non avendo peronale pecializzato. 20

11 Determinazione dell impedenza incrona La reitenza ohmica può eere determinata miurando direttamente la reitenza di una fae dell alternatore. Per determinare X i oerva che, e i fa funzionare l alternatore con i moretti chiui in corto circuito, la tenione ai moretti è neceariamente nulla. Indicando con I cc la corrente che circola nelle fai dell alternatore, i ha: X R I cc E 0 R I cc jx I cc Z I cc E 0 = E 0 (I ecc ) E I 0 Z cc 21 Determinazione dell impedenza incrona Quindi prima i fa funzionare l alternatore a vuoto e i rileva l intera caratteritica di magnetizzazione, miurando con un voltmetro la ucceione dei valori che la tenione a vuoto aume, facendo crecere gradatamente la corrente di eccitazione da zero fino al maimo valore che può raggiungere. Dopodiché i chiudono i moretti in corto circuito attravero 3 amperometri di reitenza tracurabile e, facendo ancora crecere per gradi la corrente di eccitazione, i rilevano i valori che vengono aunti corripondentemente dalla corrente di corto circuito I cc : coì i ottiene la caratteritica di corto circuito dell alternatore, che preenta un andamento quai empre rettilineo. E 0, I cc, Z V n I ccn I eccn Z I cc E 0 I ecc 22

12 Determinazione dell impedenza incrona Facendo il rapporto tra le ordinate corripondenti delle due caratteritiche trovate, i ottengono i valori del impedenza incrona, da attribuire a ciacuna fae dell alternatore, per ciacun valore di I ecc. L impedenza incrona aume un andamento cotante per tutto l intervallo lineare della caratteritica a vuoto, per poi decrecere (a caua della aturazione del ferro). Nota la reitenza R, i determina X e i hanno quindi tutti gli elementi che definicono il triangolo fondamentale dell alternatore. Nota: la caratteritica di corto circuito è lineare fino a correnti di tatore pari a divere volte quella nominale, ovvero fino a che il circuito magnetico non incomincia a aturare. E 0 jx I V I R I 23 Oervazioni ull impedenza incrona La reattanza incrona qui coniderata è quella non atura econdo l ae diretto (X d non atura). Si definice anche una reattanza incrona econdo l ae in quadratura (X q ), che, nei turboalternatori, è di poco inferiore alla X d (peo, in prima approimazione, coniderata uguale). La differenza tra la X d elax q è data dalla divera riluttanza che il fluo incontra lungo l ae polare e lungo l ae interpolare: nei turboalternatori, nella zona interpolare, c è una piccola aniotropia dovuta alle cave di rotore. Al contrario, negli idro-generatori la differenza tra X d ex q è molto marcata (X q = 0,50,75 X d ) 24

13 Caratteritiche di regolazione Quando l alternatore funziona collegato a una rete a tenione cotante, la corrente di eccitazione non può rimanere cotante, ma deve eere variata in modo che, per ogni valore di I e, la tenione indotta ia tale da mantenere cotante la tenione V ai moretti della macchina. La caratteritica di regolazione è la curva che indica come deve eere variata la corrente di eccitazione I ecc, in funzione della corrente erogata I e per un certo valore del fattore di potenza co, per avere tenione cotante ai moretti V. Eiterà una caratteritica per ogni valore del fattore di potenza co e, con appoite prove, i potrà rilevare una famiglia di caratteritiche, tutte relative allo teo valore di tenione ai moretti V e aventi l andamento qualitativo illutrato nella figura eguente. Tutte le caratteritiche partono dallo teo punto a vuoto, la cui ordinata I e0 rappreenta il valore della corrente di eccitazione necearia per avere, a vuoto, la tenione ai moretti V fiata. 25 Caratteritiche di regolazione Si oerva in particolare che: per carichi induttivi, ohmico-induttivi e ohmici, la corrente di eccitazione deve aumentare all aumentare della corrente di carico, in quanto la reazione di indotto magnetizzante tenderebbe a diminuire la tenione: occorre aumentare l eccitazione per contratare la diminuzione di fluo; per carichi capacitivi e ohmico-capacitivi, la corrente di eccitazione deve diminuire all aumentare della corrente di carico, in quanto la reazione di indotto magnetizzante tenderebbe ad aumentare la tenione: occorre ridurre l eccitazione per contratare l aumento di fluo magnetico. 26

14 Perdite nel generatore incrono Nota: per potenza nominale di un alternatore i intende la ua potenza apparente. La perdite di potenza in un alternatore ono date da: P ecc = potenza aorbita dall eccitatrice, nel cao di eccitazione coaiale: ono dipendenti dalla corrente di eccitazione. Nel cao di eccitazione tatica, la potenza di eccitazione è comunque una potenza perduta, ebbene non ia prelevata all ae della macchina. P av = perdite meccaniche per attrito e ventilazione: i poono ritenere cotanti, in quanto dipendenti dalla velocità. Quete perdite ono minori nel cao di raffreddamento in idrogeno piuttoto che in aria. 27 Perdite nel generatore incrono P fe = perdite nel ferro per iterei e correnti paraite, imputabili quai interamente allo tatore: non ono cotanti in quanto dipendono dal fluo e quindi ono influenzate dalla reazione di indotto, dalla corrente erogata e dal fattore di potenza (ono maggiori quando il carico è induttivo). P j1 = perdite nel rame tatorico, dipendenti dalla corrente erogata al quadrato; P add = perdite addizionali, normalmente inglobate in quelle per effetto Joule oppure epree come una percentuale di ee. Sono dovute alla non uniforme ditribuzione della corrente nei conduttori di tatore e a perdite per correnti paraite nelle parti metalliche vicine agli avvolgimenti. Non ono facilmente calcolabili, ma poono eere determinate con appoiti programmi di calcolo. P t è la potenza tramea da rotore a tatore, P g è la potenza generata. La potenza aorbita a vuoto è data da: P 0 P av P fe P ecc 28

15 Curve delle pretazioni limite dei generatori Vogliamo capire il eguente diagramma, relativo a un turboalternatore: punto di funzionamento nominale X E 0 = E 0 (I ecc ) I V n E 0 V n jx I 29 Curve delle pretazioni limite dei generatori Il punto N n rappreenta il funzionamento nominale, a potenza, fattore di potenza e tenione nominali: O' O V n tenione nominale di rete (= ai moretti di macchina) ' O N n Vn jx I n E0n f.e.m. a vuoto a carico nominale OP n X I n co n egmento proporzionale alla potenza attiva erogata P n OQ n X I n in n egmento proporzionale alla potenza reattiva erogata Q n Dato qualunque punto N, le coordinate di N econdo gli ai p e q fornicono in opportuna cala la potenza attiva e reattiva della macchina incrona, mentre il egmento ON, nella tea cala, fornice la potenza apparente. 30

16 Curve delle pretazioni limite dei generatori La circonferenza con centro in O e raggio: rappreenta il luogo dei punti di funzionamento a corrente nominale e quindi a potenza nominale. Poiché la corrente I n è la maima ammea in ervizio continuo, la circonferenza rappreenta la curva di funzionamento al limite termico degli avvolgimenti di tatore (limite di tatore). ON n X I n Tracurando la aturazione, la f.e.m. a vuoto E 0 riulta proporzionale alla corrente di eccitazione: le circonferenze con centro in O ono dunque i luoghi geometrici dei punti di funzionamento a corrente di eccitazione cotante. La circonferenza r di raggio E 0M (>E 0n ), che corriponde alla maima corrente di eccitazione ammea in ervizio continuo, rappreenta la curva di funzionamento al limite termico dell avvolgimento rotorico (limite di rotore). 31 Curve delle pretazioni limite dei generatori Si è uppoto che eita un margine di eccitazione ripetto alla condizione nominale di funzionamento (E 0M >E 0n ). Se tale margine non è previto nel funzionamento del turboalternatore (E 0M =E 0n ), allora la curva di funzionamento al limite di rotore è la circonferenza r che paa per N n : il egmento curvilineo N n B i riduce al punto N n. Il limite uperiore della potenza attiva erogabile è la maima potenza della turbina P n, che è minore della potenza nominale dell alternatore. Nel diagramma, la retta N n CdiordinataP n, parallela all ae q, rappreenta il limite di turbina. Nel funzionamento in ovraeccitazione (corrente I in ritardo ripetto alla tenione V n : Q>0, primo quadrante), i nota che la macchina è in grado di erogare potenza reattiva anche > Q n, corripondente alle condizioni nominali di funzionamento, a condizione che venga ridotta la potenza attiva. 32

17 Curve delle pretazioni limite dei generatori Nella tratta AB è più condizionante il ovraricaldamento rotorico, nella tratta BN n è più condizionante il ovraricaldamento tatorico. Per tabilire le poibili condizioni di funzionamento in ottoeccitazione (corrente I in anticipo ripetto alla tenione V n : Q<0, econdo quadrante), occorre determinare qual è la maima potenza reattiva capacitiva che la macchina è in grado di aorbire dalla rete, erogando contemporaneamente potenza attiva. Quete condizioni limite ono dettate da eigenze di tabilità. La potenza attiva erogata è data da: P Aegnate le tenioni E 0 ev n, la maima potenza attiva erogabile dal generatore i ha per =/2: E V X 0 n Pmax 3 E V 3 0 n X in 33 Curve delle pretazioni limite dei generatori Per >/2 il itema diventa intabile. Quindi la condizione di funzionamento limite teorica per il maimo aorbimento di potenza capacitiva i realizza per =/2. Nel diagramma, il luogo geometrico degli etremi del vettore E 0 per cui =/2 è la retta O S: per tutti queti punti, la potenza reattiva capacitiva è proporzionale al egmento OO e pari a: Q c, l 3 V X 2 n Ricordiamo che il fattore di proporzionalità, con cui moltiplicare i egmenti di queto diagramma, è: 3V n X La potenza attiva maima erogabile con =/2 è fornita dalla f.e.m. E 0 letta nella cala delle potenze: Vn Pmax E0 3 X 34

18 Curve delle pretazioni limite dei generatori Coì, e ad eempio E 0 =E 0 = O S, la potenza attiva erogabile è pari alla potenza nominale di turbina P n. In pratica, appiamo che il funzionamento tabile è poibile olo con angoli un po inferiori a /2, per conentire ovraccarichi improvvii enza l ucita di pao. Con queto criterio viene cotruita la curva limite di tabilità pratica CD. La curva limite di tabilità pratica CD evidenzia che la potenza reattiva aorbibile in ottoeccitazione decrece al crecere della potenza attiva erogata. Nel cao di turboalternatori, a cui queto diagramma i riferice, ea i riduce a un piccolo valore nel funzionamento con la maima potenza attiva. Ciò giutifica la regola eguita da molti eercenti di centrali di NON far funzionare in ottoeccitazione i turboalternatori. 35 Curve delle pretazioni limite dei generatori Quando la potenza attiva è nulla (marcia a vuoto o come compenatore incrono), la potenza reattiva aorbibile diviene più elevata: tuttavia, ea va tenuta un po inferiore al valore teorico, anche per cautelari contro il richio di autoeccitazione. Molti progettiti precrivono che la corrente di eccitazione non deve riduri al di otto del 10% del valore nominale. Inoltre, il funzionamento prolungato in ottoeccitazione dei turboalternatori è conigliato perché in quete condizioni il ferro di rotore non è aturato e perciò i modifica l andamento di diperione alle etremità dello tatore: può avvenire che inteni flui diperi invetano le tetate degli avvolgimenti e le piatre di etremità di tatore, provocando ecceivi ricaldamenti localizzati. Nota: negli idro-generatori, la curva di tabilità è in generale divera da quella dei turbo-alternatori, eendo le reattanze lungo l ae diretto e lungo l ae in quadratura di valore divero. 36

19 Funzionamento del motore incrono Abbiamo vito che per angoli di carico < 0 (E 0 in ritardo ripetto al vettore V ), il egno della coppia i inverte e la macchina funziona da motore: C em 3 p p E V Z 0 in Queto accade quando la macchina incrona, allacciata a una rete elettrica, è ottopota a una coppia reitente (frenante). Tale coppia tenderà momentaneamente a far rallentare il rotore, per cui la f.e.m. indotta E 0 i porterà in ritardo ripetto alla tenione di fae della rete V. 37 Funzionamento del motore incrono Il rotore terminerà di rallentare quando la coppia motrice da eo viluppata uguaglierà quella reitente del carico più le perdite. Il diagramma vettoriale viene impotato in modo divero, oia con l idea di rappreentare una potenza elettrica aorbita poitiva, anziché una potenza erogata negativa (convenzione degli utilizzatori): X R I fae = I rete E 0 = E 0 (I ecc ) V fae = V rete 38

20 Funzionamento del motore incrono Con queta interpretazione (convenzione degli utilizzatori), la tenione applicata V deve vincere la forza controelettromotrice E 0 e la caduta di tenione interna, pari a circa X I (tracurando la reitenza R ): E 0 V jx I In quete condizioni, oltre ad aorbire potenza attiva dalla rete, il motore incrono aorbe o genera potenza reattiva induttiva, a econda del valore aunto dall angolo di faamento della corrente I ripetto alla tenione V : queto faamento dipende dalla corrente di eccitazione e quindi dal valore della tenione indotta E 0. Se la macchina è ottoeccitata (E 0 < V ), ea aorbe potenza reattiva induttiva dalla rete, perché la corrente I ritarda ulla tenione di fae V. V -jx I E 0 I 39 Funzionamento del motore incrono Infatti, uppoto che V rimanga empre cotante (impota dalla rete), e il motore incrono è ottoeccitato, ignifica che il fluo magnetico di eccitazione è inufficiente, perciò occorrerà che eo aorba dalla rete potenza magnetizzante: di coneguenza la corrente riulterà in ritardo ulla tenione. Se la macchina è ovraeccitata (E 0 > V ), ea aorbe potenza reattiva capacitiva dalla rete, perché la corrente I è in anticipo ulla tenione di fae V. I V E 0 -jx I Infatti, e il motore incrono riulta ovraeccitato (fluo magnetico di eccitazione eccedente), occorrerà che eo aorba dalla rete della potenza magnetizzante, oia di egno oppoto alla magnetizzante, oia capacitiva: di coneguenza la corrente di indotto riulterà in anticipo ulla tenione. 40

21 Funzionamento del motore incrono Abbiamo vito che, fiata la tenione di rete, la potenza ELETTRICA attiva (aorbita dalla rete) è proporzionale al egmento I co: P 3V I co Perciò il diagramma eguente è diegnato per un valore di P = cotante. Dalla formula della potenza MECCANICA i ha invece che, a parità di altre condizioni e fiato un valore di P, deve rimanere cotante il prodotto E 0 in: E0 V P 3 p p in Z Quindi il in deve diminuire e aumenta E 0.Sioervache la diminuzione dell angolo è I favorevole alla tabilità. ottoeccitato E 0 limite tabilità I I E 0 ovraeccitato jx I E 0 E 0 V jx I jx I r 41 Funzionamento del motore incrono Tracurando le perdite, la potenza meccanica viluppata dal motore uguaglia la potenza elettrica attiva aorbita dal motore. Quindi, e rimane cotante la coppia reitente applicata all albero, nel diagramma vettoriale dovrà rimanere cotante il egmento rappreentativo della potenza attiva I co. Di coneguenza, e i fa variare la corrente di eccitazione in modo che vari l ampiezza di E 0, varierà anche il uo angolo di carico in modo tale che il vettore che lo rappreenta conervi cotantemente il uo etremo ulla retta parallela a V. La corrente aorbita dal motore riulta neceariamente divera nelle tre condizioni, ia in modulo che in fae, eendo ea determinata dalla caduta interna di tenione (X I ) che deve verificari nella macchina per colmare la differenza vettoriale tra la tenione applicata V elaf.e.m.e 0. 42

22 Funzionamento del motore incrono Quindi, al variare della corrente di eccitazione, varia E 0 e varia anche I, perché deve variare opportunamente l ampiezza del vettore jx I. Coì, aumentando emplicemente l eccitazione del motore, la corrente aorbita, che inizialmente era faata in ritardo di un angolo ripetto alla tenione, i porta in fae con queta. Rimane cioè invariata la ua componente attiva (perché rimane cotante la potenza attiva aorbita), mentre i riduce a zero la componente reattiva. Il valore di I per = 0 è il valore minimo che può aumere la corrente aorbita dal motore per far fronte alla potenza cotante fiata P, che viene prelevata dalla rete con un fattore di potenza unitario. In quete condizioni ono ridotte al minimo anche le perdite per effetto Joule e perciò il motore lavora nelle condizioni di maimo rendimento elettrico. 43 Funzionamento del motore incrono Per tutte le eccitazioni inferiori a queta, il motore lavora in regime ottoeccitato e la corrente aorbita aumenta, mentre il fattore di potenza diminuice, perché la corrente i faa in ritardo ripetto alla tenione. Il fatto contrario accade invece, per quanto riguarda lo faamento della corrente, e l eccitazione del motore viene aumentata portando il motore a lavorare in regime ovraeccitato: la corrente aumenta in modulo e il fattore di potenza diminuice, ma la corrente paa in anticipo ripetto alla tenione. Quindi: per valori di eccitazione inferiori (ripetto a = 0), il motore aorbe dalla rete corrente magnetizzante, comportandoi come un carico ohmico-induttivo; per valori di eccitazione uperiori, il motore eroga in rete corrente magnetizzante, comportandoi come un carico ohmico-capacitivo: queta è una caratteritica peculiare del motore SINCRONO. 44

23 Funzionamento del motore incrono Per un fiato valore di potenza attiva P, i può diegnare l andamento della corrente aorbita dal motore incrono in funzione della corrente di eccitazione I ecc (o della f.e.m. E 0 ): l andamento della curva aume la forma caratteritica, detta a V, del motore incrono. Per potenza attiva nulla, oia nel funzionamento a vuoto, i ha una curva a V il cui vertice tocca l ae delle acie (corrente aorbita nulla): queta condizione corriponde al diagramma vettoriale che i riduce ai due vettori V ee 0 uguali e ovrappoti, che i verifica nel momento in cui i fa il parallelo con la rete e la macchina non aorbe né eroga alcuna corrente. Diegnando le curve per diveri valori di potenza attiva P, i oerva che il valore minimo di ciacuna curva i ottiene per co =1. 45 Funzionamento del motore incrono Collegando i vertici delle curve a V, i ottiene la linea di funzionamento a co =1, che determina i valori dell eccitazione che i deve fornire alla macchina per realizzare un funzionamento con fattore di potenza unitario (e perciò col valore minimo della corrente aorbita) per le divere potenze di carico P. Ogni curva a V è limitata nel regime ottoeccitato da un valore minimo della E 0,il quale corriponde ui diagrammi vettoriali alla ditanza della retta r dal vettore V : queto valore di E 0 definice l etremo limite di ottoeccitazione che i può raggiungere per una data potenza di carico P, enza far ucire la macchina dal limite di tabilità (=90 ). Riprendendo il funzionamento della macchina come generatore, i può oervare che, e viene mantenuta cotante la potenza attiva P erogata (cioè e viene mantenuta cotante la coppia del motore primo che lo tracina), la corrente da eo erogata varia al variare di I ecc econdo una curva a V. 46

24 Curve a V del motore incrono I I co I I ecc 47 Funzionamento del motore incrono Tornando al funzionamento come motore, i oerva che, analogamente al funzionamento come generatore, queto i mantiene tabile per angoli di ritardo di E 0 ripetto alla V inferiori al valore limite di 90 (all atto pratico, occorre teneri ufficientemente lontani da queto limite, per evitare che un aumento accidentale di carico non faccia ucire il motore dal incronimo). Analizzando i tre cai coniderati, i oerva che il regime di funzionamento del motore incrono i mantiene tanto più lontano dal limite di tabilità quanto maggiore è l eccitazione. Infatti, per motore ovraeccitato (E 0 ) l angolo di ritardo è inferiore ripetto agli altri due cai, perciò in queto cao rimane ancora diponibile un margine di tabilità più ampio. 48

25 Funzionamento del motore incrono In generale, non è prudente diminuire l eccitazione di un motore incrono enza conocere il margine di tabilità che rimane ancora diponibile, perché i corre il richio di farlo ucire dal incronimo. Una emplice indicazione in propoito può eere fornita dal valore della corrente aorbita: e l eccitazione è cara, anche una ua lieve diminuzione determina un forte aumento della corrente aorbita (curva a V ), mentre un aumento dell eccitazione produce una enibile riduzione della corrente; e il motore è ovraeccitato, accade il fatto contrario. Dalla relazione: E0 V P 3 p p in Z i può anche oervare che un motore incrono che lavora con un determinato carico P, preenta un margine di tabilità tanto più ampio quanto minore è la reattanza incrona X. 49 Funzionamento del motore incrono Infatti, al diminuire di X, diminuice l angolo di carico che i richiede affinché il motore viluppi la potenza P. Inoltre, e la reattanza è piccola, diviene più grande la potenza maima al limite della tabilità: P MAX E V Z 0 3 p p D altra parte, e la reattanza X è troppo piccola, il motore diviene ecceivamente enibile alle variazioni dell eccitazione, ovvero le curve a V del motore riultano ecceivamente acute. Il motore incrono deve eere perciò cotruito in modo che la reattanza interna abbia il giuto valore per coneguire un margine di tabilità ufficientemente elevato e avere nel contempo un campo di regolazione ufficientemente ampio. 50

26 Funzionamento del motore incrono Proprietà fondamentale del motore incrono è di ruotare a velocità aolutamente cotante (velocità di incronimo, che dipende ecluivamente dal valore della frequenza e dal numero di paia poli). La caratteritica meccanica è perciò cotituita da un egmento verticale di valore C max,aldiopradelqualeil motore ucirebbe dal incronimo. Naturalmente la coppia nominale C N è inferiore a quella maima (C N = 0,4 0,6 C max ). 51 Funzionamento del motore incrono Pregio principale del motore incrono è di poter funzionare con qualiai fattore di potenza, poiché ciò dipende ecluivamente dalla corrente di eccitazione. Difetto principale è invece quello di richiedere dei dipoitivi particolari per il uo avviamento, che rende l operazione di avviamento più complea ripetto ai motori aincroni. Queti dipoitivi poono eere cotituiti da: motore di lancio della potenza di circa 5 10% di quella del motore principale; avvolgimento a gabbia ul rotore (in pratica, il circuito morzatore), in modo che il motore venga avviato come aincrono (motori autoincroni). In queto cao, la coppia di punto può eere molto baa, tale da conentire l avviamento del motore incrono olo a vuoto (l avviamento aincrono di un motore incrono è, in generale, un operazione molto impegnativa); 52

27 Funzionamento del motore incrono avviamento del motore incrono a frequenza crecente: il motore è alimentato da un appoito generatore incrono, che parte da fermo (frequenza zero) e raggiunge gradualmente la velocità finale e quindi la piena frequenza (impiegato nelle centrali idroelettriche di pompaggio). Il motore incrono, a caua della difficoltà di avviamento e della ua cotruzione, trova convenienza di impiego olo dove occorrono grandi potenze (uperiori a decine di kw) in funzionamento continuo, ma anche con bae velocità di rotazione. Applicazioni tipiche ono quelle dell azionamento di pompe (piccole coppie di avviamento) e di laminatoi (grandi coppie di avviamento). 53 Oervazioni ulla tabilità e ulla X Come già oervato, per migliorare la tabilità a regime di una macchina incrona, i richiede una reattanza X baa. Un bao valore della reattanza X i può ottenere con le eguenti modalità: Aumentando il fluo e riducendo la denità lineare di corrente, cioè aumentando le dimenioni delle parti attive della macchina; Aumentando il traferro, con un coneguente aumento delle amperpire di rotore, oia caricando di più il rotore (più rame, più perdite). In generale, al diminuire della X, corriponde un aumento del coto della macchina. E I 0 Z cc Nota: per la tabilità dinamica, è invece deciiva la reattanza tranitoria, che però non tratteremo in queto coro. 54