Le macchine elettriche

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1 Le macchine elettriche

2 Cosa sono le macchine elettriche? Le macchine elettriche sono dispositivi atti a: convertire energia elettrica in energia meccanica; convertire energia meccanica in energia elettrica; modificare le forme dell'energia elettrica. Page 2

3 Classificazione delle macchine elettriche Con riferimento al tipo di energia elettrica utilizzata o fornita si hanno macchine elettriche a: corrente continua corrente alternata. Page 3

4 Con riferimento alle caratteristiche costruttive le macchine elettriche possono suddividersi in: macchine elettriche statiche: macchine nelle quali non sono presenti organi meccanici in movimento. macchine elettriche rotanti: macchine nelle quali è presente una parte rotante (rotore) e una parte statica (statore). Page 4

5 Con riferimento invece all'utilizzazione le macchine elettriche si suddividono in: Trasformatori; Motori; Generatori; Convertitori. Page 5

6 Trasformatori Macchine elettriche statiche, a corrente alternata, che trasformano l'energia loro fornita sotto forma di una tensione variabile con determinata frequenza, in energia elettrica con diversa d.d.p. ma variabile con la stessa frequenza. Page 6

7 Motori Macchine elettriche rotanti che trasformano l'energia elettrica assorbita dagli avvolgimenti in energia meccanica resa disponibile attraverso un asse meccanico rotante. Page 7

8 Generatori Macchine elettriche che trasformano l'energia meccanica fornita al rotore in energia elettrica. Se l'energia elettrica è prodotta in corrente alternata si ha l alternatore se invece è ottenuta in corrente continua il generatore prende il nome di dinamo. Page 8

9 Convertitori Macchine elettriche, statiche o rotanti, che forniscono in uscita energia elettrica con caratteristiche diverse da quelle dell' energia elettrica in ingresso. Se il convertitore è impiegato per trasformare la corrente alterata corrente continua prende il nome di raddrizzatore; la macchina che effettua la trasformazione inversa si chiama invertitore; quella che modifica frequenza si definisce convertitore di frequenza. Page 9

10 riassumendo: Page 10

11 Analizziamo qualche macchina elettrica Page 11

12 Le macchine elettriche statiche Page 12

13 Il Trasformatore Il trasformatore è un dispositivo elettromeccanico che trasforma energia elettrica in altra energia elettrica di uguale frequenza, modificandone tensione V e intensità di corrente I. Il trasformatore non ha organi in movimento e per questo motivo è una macchina elettrica statica. Page 13

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15 Nel suo impiego più comune esso consente di trasformare: - energia elettrica a bassa tensione (BT) in energia a tensione più elevata (AT): trasformatore in salita o elevatore; - energia elettrica ad alta tensione in energia a bassa tensione: trasformatore in discesa o abbassatore o riduttore; Page 15

16 Rete elettrica nazionale Nei sistemi moderni l energia elettrica viene generata da alternatori a livelli che vanno da 6 a 25 kv. All uscita di una centrale un trasformatore innalza la differenza di potenziale prima di immettere l energia elettrica nella rete ad alta tensione (220 o 380 KV), tramite la quale viene trasportata a grandi distanze. L innalzamento serve a ridurre le perdite durante il trasporto Vicino ai luoghi di utilizzo la tensione, tramite dei trasformatori, viene abbassata prima nelle stazioni di trasformazione poi nelle cabine di trasformazione, fino ad arrivare al valore di 220 V con cui entra nelle case. I convertitori abbassano e convertono la tensione da alternata a continua per alimentare treni, filobus e tram. Page 16

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30 Centrale idroelettrica Page 30

31 Centrale termoelettrica Page 31

32 MONOFASE TRASFORMATORI TRIFASE Page 32

33 Trasformatori monofase I Trasformatori monofase sono formati da due parti essenziali: nucleo centrale di materiale ferromagnetico costituito da un pacco di lamierini al silicio che forma il circuito magnetico principale; due avvolgimenti di materiale conduttore: il primario di N 1 spire che riceve l energia elettrica ed il secondario di N 2 spire a cui si collega il carico. Page 33

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35 I trasformatori macchine reversibili I trasformatori sono macchine reversibili in quanto i due avvolgimenti possono scambiarsi i ruoli di ingresso e uscita. Lo stesso trasformatore potrà quindi essere impiegato come trasformatore elevatore o trasformatore abbassatore. Page 35

36 Il trasformatore ideale Si definisce ideale un trasformatore nel quale sono trascurabili le perdite. Indicando con V 1 e con V 2 le ampiezze delle tensioni alternate rilevabili ai capi del primario e del secondario avremo che la potenza alternata fornita al primario è totalmente trasferita al secondario: V 1 I 1 = V 2 I 2 E quindi: V 1 = V 2 I I 2 1 Page 36

37 Si definiscono: rapporto di trasformazione k = V V 1 2 rapporto spire: n = N N 1 2 Nel trasformatore ideale n=k per cui: V 1 1 k = = = V 2 N N 2 I I 2 1 Page 37

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42 Il trasformatore reale Nel trasformatore reale avremo: 1. PERDITE DI POTENZA NEL FERRO DEL NUCLEO FERROMAGNETICO per ISTERESI e per correnti parassite dovute alla variazione del flusso magnetico. ISTERESI: fenomeno caratteristico dei materiali ferromagnetici che possono assumere valori diversi di magnetizzazione, in corrispondenza dello stesso valore del campo magnetico esterno, a seconda che questo venga raggiunto a partire da valori più alti o più bassi. SOSTANZE FERROMAGNETICHE: sostanze aventi permeabilità magnetica relativa µr molto più grande di 1. µr = µ / µ0 dove µ0 = 4 π 10-7 [T m / A] è la permeabilità del vuoto e µ è la permeabilità assoluta della sostanza. PERMEABILITA : grandezza caratteristica di una sostanza che esprime la sua attitudine a divenire sede di induzione magnetica. E definita dal rapporto tra l induzione magnetica prodotta nella sostanza e l intensità del campo che l ha generata. CORRENTI PARASSITE: La loro presenza è legata alla INDUZIONE MAGNETICA: in un circuito chiuso al variare del flusso di induzione magnetica concatenato al circuito stesso, si genera una corrente indotta la cui intensità è proporzionale alla variazione del flusso (leggi di Faraday Neumann) il cui verso è tale da generare un flusso magnetico le cui variazioni si oppongono a quelle del flusso inducente (legge di Lenz); Page 42

43 2. PERDITE PER CADUTE DI TENSIONE E PERDITE DI POTENZA PER EFFETTO JOULE negli avvolgimenti per via delle resistenze dei conduttori; 3. PERDITE PER FLUSSI DISPERSI: si richiudono in aria concatenandosi con un solo avvolgimento e pertanto non concorrono al flusso utile. Page 43

44 Il trasformatore ideale a vuoto L avvolgimento primario è alimentato mentre il secondario è aperto. Nell avvolgimento primario non circola corrente e quindi non influenza i fenomeni elettromagnetici che avvengono nel nucleo. Il primario alimentato con tensione alternata di valore efficace V 1, assorbe una corrente Iµ (CORRENTE MAGNETIZZANTE). La forza magneto motrice (f.m.m.) N 1 Iµ produce il flusso alternato Φ che concatenandosi con le spire produce una f.e.m. indotta E 1 uguale ed opposta a V 1 con valore efficace E 1 = N 1 ω Φ dove ω è la pulsazione, in rad/s, della tensione alternata di alimentazione. Il flusso Φ concatenandosi con entrambi gli avvolgimenti vi induce le f.e.m. E 1 = N 1 ω Φ e E 2 = N 2 ω Φ Nel primario, trascurando le minime cadute di tensione, avremo : V 1 E 2 Nel secondario avremo che la tensione secondaria nominale a vuoto è V 20 = V 2 = E 2 Pertanto: risultato praticamente identico a quello del trasformatore ideale. Page 44

45 Il trasformatore ideale a carico Il trasformatore si dice a carico quando il secondario è chiuso su un utilizzatore che richiede corrente (I 2 0). Trascurando la caduta di tensione sul primario possiamo ritenere che, mantenendo la stessa tensione di alimentazione V 1, il flusso Φ non cambi in modo significativo. Infatti: V 1 E 1 = N 1 ω Φ il flusso è imposto dalla tensione di alimentazione. Il carico connesso al secondario richiama la tensione I 2 che circolando nel secondario produce una f.m.m. N 2 I 2 che richiama al primario una I 1 (corrente di reazione primaria) in opposizione alla I 2. Per effetto delle cadute di tensione che si hanno in entrambi gli avvolgimenti (1 10% di V 1 ) avremo che: E 1 < V 1 e E 2 < V 2 Per cui definendo il rapporto di trasformazione a carico avremo che tale rapporto sarà diverso dal rapporto di trasformazione a vuoto K 0 e per i carichi consueti si avrà: K > K 0. Si definisce caduta di tensione da vuoto a carico: V = V 20 V 2. Page 45

46 Il trasformatore trifase Page 46

47 Una trasformazione trifase la si può realizzare utilizzando tre trasformatori monofase. Questa soluzione, molto costosa, è però poco adottata se non per centrali di ingente potenza. Page 47

48 La soluzione più utilizzata è quella di un nucleo ferromagnetico costituito da tre colonne complanari unite da traverse Page 48

49 Collegamenti degli avvolgimenti I tre avvolgimenti, sia primari che secondari possono essere collegati tra di loro a: stella triangolo Page 49

50 Collegamento a stella Si ottiene unendo tra loro i tre morsetti d uscita oppure i tre morsetti d ingresso. Il morsetto N prende il nome di centro stella. Page 50

51 Collegamento a triangolo Si realizza unendo ciascun morsetto d ingresso con quello d uscita della fase successiva, in ordine alfabetico, oppure ciascuna uscita con l ingresso della fase successiva in ordine alfabetico Page 51

52 Rapporti di trasformazione Il rapporto di trasformazione dipende dal tipo di collegamento. Page 52

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IL TRASFORMATORE REALE

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