Le Macchine Elettriche Alfredo Contin Università di Trieste

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Maria Teresa Agostini
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1 Le Macchine Elettriche Alfredo Contin Università di Trieste 1 Sommario 9 CFU (90 ore circa): generalità trasformatori macchine rotanti in CC con diverse eccitazioni macchine sincrone a poli lisci e salienti motori ad induzione (asincroni) avvolti e a gabbia rincipi di funzionamento Equazioni per la statica e la dinamica Caratteristiche di macchina per la gestione e regolazione

2 Riferimenti Bibliografici 2 Fitzgerald, Kingsley, Kusko: Macchine Elettriche, Ed. Franco Angeli. Andriollo, Martinelli, Morini: I Trasformatori, teoria ed esercizi, Ed.Cortina 2003 Andriollo, Martinelli, Morini: Macchine Elettriche Rotanti, Ed.Cortina enati, Bertoni: I Sistemi di Controllo, Ed.Zanichelli. Bonometti: Convertitori di otenza e Servomotori Brushless, Ed.Delfino Appunti del Corso (presentazioni ppt)

3 Terminologia e Convenzioni Generali Def. di Macchina: sistema interposto tra sistemi che richiedono uno scambio di energia mediante il controllo o la trasformazione da una forma di energia in un altra. di Macchina Elettrica: elettrica. una delle forme di energia coinvolta è I Classificazione: possiamo classificare le macchine elettriche a seconda del modo di controllare il flusso di energia: a) variazione di alcune caratteristiche elettriche (trasformatori di tensione, di corrente, di frequenza, convertitori statici o dinamici AC DC) b) trasformazione dell energia da/in elettrica<=>meccanica (una delle componenti è in movimento generatori e motori elettrici); c) trasformazione dell energia da elettrica=>termica (stufe, forni elettrici); d) trasformazione dell energia da elettrica<=>chimica (pile, accumulatori celle ad idrogeno); 3

4 4 Def.: Conversione della energia elettrica con macchine che hanno organi in movimento. Generatori rotanti elettrici: macchine elettriche che ricevono energia meccanica in ingresso e la trasformano in energia elettrica. Motori elettrici: macchine elettriche che ricevono energia elettrica in ingresso e la trasformano in energia meccanica. IL RENDIMENTO Macchina ideale: fornisce in uscita lo stesso ammontare di energia che ha assorbito all ingresso. Macchina reale: parte della energia in ingresso viene spesa per il funzionamento della macchina e per sopperire alle perdite che avvengono nella stessa. L esame delle cause di perdita e la stima del loro ammontare è di fondamentale importanza sia tecnica che economica. Se ne tiene conto introducendo il concetto di rendimento.

5 Il Rendimento Def.: Rapporto tra potenza resa ( r ) e quella assorbita (a). 5 η= r a = a a p = 1 p a Dove p è la potenza persa in macchina. Macchina ideale =>η=1 η funzione obiettivo da massimizzare a 1 minimizzando le perdite. uò essere espresso in % così da rendere immediata la valutazione della potenza persa %. η r % = 100 => p = (100 η%) % a a η è il termine di paragone, anche economici, delle prestazioni tra macchine diverse. p = f(carico): le perdite non rimangono costanti al variare del carico. Le perdite sono legate alle prestazioni della macchina. Alcuni tipi di perdite variano al variare del carico stesso.

6 rincipi di Funzionamento ur trattandosi di macchine diverse, il loro studio si fonda su una logica comune. la conversione elettromeccanica o il controllo di flusso di energia si attua per mezzo della interazione tra campi magnetici ed elettrici. Osservazione: la presenza di un campo magnetico si spiega perché le sue forze di attrazione/repulsione sono, a parità di volume, molto più intense rispetto quelle dei campi elettrici. Se si considera l energia specifica (densità di energia) in spazi di aria (traferri) che separano le diverse componenti di macchina, si ha che: + densità di energia => + intensità nelle forze in gioco => a parità di superfici affacciate o volumi coinvolti Esempio: densità di energia magnetica in un traferro soggetto a B=1 [T] W 1 = 2 B µ [J / m 3 ] 6

7 7 densità di energia elettrostatica in un campo elettrico di E=10000 [V/cm] (esistono micromotori basati su forze di tipo elettrostatico) W = 1 2 ε 0 K 2 4[J caso dei motori endotermici => densità di energia fino a 10 7 [J/m 3 ]. / m 3 ] Le macchine elettriche sono sedi di campi magnetici sostenuti da distribuzioni di correnti circolanti in circuiti elettrici immersi in mezzi eterogenei e non lineari, aventi prefissate configurazioni geometriche. In generale, le componenti delle macchine elettriche sono 3: 1) Circuito elettrico che genera e sostiene il campo magnetico e trasforma l energia elettrica in magnetica (sistema elettrico induttore). 2) Circuito che concentra il campo magnetico. 3) Circuito elettrico che, concatenandosi con il circuito magnetico da cui assorbe energia, è sede di grandezze elettriche generate dal campo magnetico stesso (sistema elettrico indotto).

8 Le Ipotesi di Campo 8 L approccio logico per il loro studio è legato alla soluzione di equazioni differenziali di campo (metodo teoricamente corretto ma praticamente poco utilizzabile => software di simulazione basato su elementi finiti e differenze finite). er la progettazione delle macchine, nei controlli e negli azionamenti è necessario introdurre delle ipotesi di campo semplificative per ottenere opportuni modelli di macchina Le Ipotesi (semplificative) di Campo: hanno lo scopo di individuare l andamento qualitativo delle linee di flusso del campo magnetico senza ricorrere alla soluzione di complicate equazioni differenziali. Segue la determinazione quantitativa del campo mediante le equazioni dell elettromagnetismo applicate a strutture semplificate

9 Le Equazioni Interne di Macchina 9 Si tratta di individuare i circuiti magnetici semplificati; individuare i circuiti elettrici concatenati con il campo magnetico; scrivere le equazioni sfruttando le regole dell elettromagnetismo. ciò porta a scrivere le equazioni interne di una macchina elettrica che sono: A) Legge di Ohm per il circuito elettrico che genera il campo magnetico; B) Equazione che descrive lo svolgimento del campo magnetico; C) Equazione di concatenazione tra campo elettrico e magnetico; D) Leggi di Ohm per i circuiti elettrici accoppiati con il campo magnetico (Induttore ed Indotto). Le incognite sono: I) le correnti dei circuiti elettrici di macchina; II) il flusso di induzione magnetica o flusso principale che si concatena con i circuiti elettrici (definizione critica).

10 Le Equazioni Esterne di Macchina 10 La macchina elettrica è, per definizione, un sottosistema che scambia energia. E necessario introdurre delle equazioni che traducano in forma analitica i vincoli esercitati dai sottosistemi accoppiati con la macchina (equazioni di collegamento esterno o equazioni esterne di macchina) Caso dei Motori Elettrici: Energia Elettrica => Energia Meccanica Vincoli di Ingresso: generalmente rappresentato dalla imposizione del regime di tensioni (DC, AC, WM, etc.). Vincoli di Uscita: è un vincolo meccanico (coppia all asse, velocità angolare, posizione etc). Ciò si traduce in relazioni del tipo V=V(t), T=T(t), di equilibrio elettrico e meccanico tipo : T m (t)=t r (t)+fω(t)+jdω(t)/dt Osservazione: le equazioni interne ed esterne devono essere messe in relazione tra loro per descrivere in modo univoco il funzionamento della macchina.

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