CLASSIFICAZIONE GENERALE DELLE MACCHINE ELETTRICHE

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1 CLASSIFICAZIONE GENERALE DELLE MACCHINE ELETTRICHE La classificazione delle macchine elettriche è riassunta nello schema riportato in figura 1. Per macchina elettrica si intende un dispositivo in grado di trasformare energia e il cui funzionamento si basa sulle due seguenti leggi dell elettromagnetismo: legge dell induzione elettromagnetica: un circuito elettrico soggetto a un flusso magnetico variabile nel tempo diventa sede di una tensione indotta data da : dove il segno meno deriva dall applicazione della legge di Lenz e come flusso si deve considerare quello concatenato con il circuito;

2 legge dell azione elettrodinamica: un conduttore percorso da corrente I e posto in un campo magnetico di induzione B è soggetto a una forza, data da: F = BIL dove L è la lunghezza della parte di conduttore interessata dal campo magnetico. Non tutti i dispositivi atti a trasformare energia possono essere considerati macchine elettriche. Una comune pila elettrica, per esempio, pur producendo energia elettrica per trasformazione di energia chimica, non è una macchina elettrica, in quanto il suo funzionamento non è basato sui principi dell elettromagnetismo. La trasformazione di energia può avvenire sotto varie forme, a seconda del tipo di macchina. Caratteristica peculiare delle macchine elettriche è la loro reversibilità, ossia la possibilità di invertire il senso del flusso di energia. Per il trasformatore la reversibilità si riferisce ai due sistemi elettrici tra i quali è collegato.

3 Classificazione delle macchine elettriche Una prima classificazione delle macchine elettriche riguarda la presenza o meno di organi rotanti. In base a questo criterio le macchine si dividono in: macchine statiche (come il trasformatore), prive di parti in movimento; macchine rotanti (come i motori e i generatori elettrici), nelle quali è presente una parte in movimento rotatorio intorno a un asse; è possibile ipotizzare, in teoria, anche l esistenza di macchine con parti dotate di moto traslatorio (motori lineari), ma le loro applicazioni pratiche sono ancora limitate. A seconda della forma d onda della corrente le macchine vengono classificate nel seguente modo: macchine a corrente continua (c.c. o d.c. quando si usa la notazione inglese direct current) che utilizzano (nel caso dei motori) o producono (quando vengono usate da generatori) energia elettrica avente tensione e corrente costante nel tempo; macchine a corrente alternata (c.a. o a.c. quando si usa la notazione inglese alternative current) che utilizzano (motori) o producono (generatori) energia elettrica avente tensione e corrente variabile nel tempo con legge sinusoidale. Nel caso delle macchine a corrente alternata, sia statiche che rotanti, un ulteriore distinzione viene fatta considerando il numero delle fasi del circuito elettrico interno, circuito collegato alla rete elettrica di alimentazione (nel caso dei motori) o a quella di carico (nel caso dei generatori). Si avranno quindi, salvo casi particolari, macchine elettriche di tipo monofase e di tipo trifase.

4 Le macchine rotanti a corrente alternata vengono, inoltre, classificate in: macchine sincrone, quando la loro velocità di rotazione è rigidamente vincolata alle caratteristiche elettromagnetiche della macchina stessa che ne determinano la velocità di sincronismo; macchine asincrone, in cui la velocità di rotazione differisce da quella di sincronismo legata al campo magnetico interno alla macchina. Bilancio delle potenze di una macchina elettrica Ragionando in termini di potenze, una macchina elettrica può essere considerata come un sistema (figura) interessato da una potenza d ingresso P1 e da una potenza d uscita P2. Indicando con Pp la potenza persa nella macchina durante il suo funzionamento, deve essere soddisfatta la seguente equazione, che esprime il bilancio delle potenze della macchina stessa: A seconda del tipo di macchina considerata le potenze P1 e P2 saranno elettriche o meccaniche.

5 Trasformatore elettrico Un trasformatore elettrico trasforma l energia elettrica che riceve dalla rete di alimentazione ancora in energia elettrica data al carico, variandone i valori di tensione e di corrente. Il trasformatore è una macchina in grado di operare in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili. Il rendimento di un trasformatore è molto alto e le perdite sono molto basse (nel ferro, per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite, e nel rame, per effetto Joule). APPLICAZIONI Un'applicazione tipica è nelle cabine elettriche di trasformazione della rete elettrica e negli alimentatori di circuiti elettronici, che abbassano il valore della tensione da quello di rete (230 V) a quello tipico di alimentazione delle apparecchiature a valle.la maggior parte dei circuiti elettrici per uso quotidiano (sia da uso domestico che aziendale) funzionano a tensioni molto più basse dello standard da 230 V presente in uscita dalle normali prese elettriche, e i trasformatori riducono i valori della corrente permettendo l'utilizzo di qualsiasi tipo di elettrodomestici o strumentazione elettrica. Questa straordinaria macchina a corrente alternata consente quindi il trasporto dell'energia elettrica, permettendo di distribuirla alle utenze finali nei valori di tensione più adatti a ciascuno specifico uso.

6 Motore e generatore elettrico Un motore elettrico trasforma l energia elettrica che gli viene fornita dalla rete di alimentazione in energia cinetica data al carico meccanico collegato al suo asse, mentre un generatore elettrico di tipo rotante trasforma l energia meccanica che gli fornisce il motore primo (per esempio la turbina di un impianto idroelettrico) in energia elettrica trasmessa alla rete a cui il generatore è collegato.

7 Considerazioni energetiche nelle macchine elettriche Nei sistemi elettrici la potenza è data dal prodotto tra la tensione e la corrente (a cui si aggiunge il fattore di potenza cos ϕ nel caso di corrente alternata): Poiché nelle macchine elettriche si verificano trasformazioni energetiche, e quindi trasformazioni di potenza, si può ritenere che in ognuna di esse siano presenti una potenza di ingresso P i, che entra nel sistema e deve essere convertita, e una potenza di uscita P u, detta anche potenza utile, in quanto direttamente usufruibile. È evidente, del resto, in base alla classificazione delle diverse tipologie di macchine elettriche, che, a seconda della natura della macchina stessa, la potenza di ingresso e quella di uscita possono essere di natura differente: nei trasformatori entrambe le potenze sono elettriche; nei motori la potenza entrante Pi è elettrica, mentre la potenza uscente Pu è meccanica; nei generatori Pi è una potenza meccanica, Pu è una potenza elettrica. o Di conseguenza, i trasformatori ricevono la potenza di ingresso da una rete elettrica primaria, effettuano la conversione dei valori di tensione e corrente e rendono potenza elettrica a una rete elettrica secondaria. o I motori, invece, devono essere provvisti di una rete elettrica di alimentazione, che fornisca la Pi necessaria per il funzionamento, e rendono possibile il movimento di un carico meccanico grazie alla potenza meccanica Pu. o I generatori, infine, ricevono la potenza di ingresso da un motore e sono in grado di erogare potenza ai capi di un carico elettrico o, più genericamente, a una rete elettrica loro asservita.

8 Quanto appena espresso può essere facilmente schematizzato nella tabella 1. Tuttavia, la potenza di uscita non può mai essere dello stesso valore della potenza di ingresso; in altre parole, nessuna macchina è in grado di convertire completamente la potenza che riceve dall esterno in potenza utilizzabile da una rete elettrica o da un carico meccanico. Le macchine elettriche per le quali sia ipotizzabile considerare potenza di ingresso e di uscita identiche sono denominate macchine ideali. Lo studio delle macchine ideali consente di definire principi di funzionamento e caratteristiche generali utili come riferimento per la progettazione di macchine reali in grado di convertire la massima quota della potenza di ingresso in potenza di uscita. Lo schema di principio valido per le macchine elettriche, in quanto sistemi fisici, è riportato in figura 2.

9 Dall applicazione del principio di conservazione dell energia alle macchine elettriche consegue che: espressione in cui con P p si indica l insieme delle potenze perse per varie cause lungo gli stadi di conversione energetica. La potenza persa, quindi, è assimilabile a una dissipazione di potenza non utilizzabile produttivamente in uscita dalla macchina. Obiettivo della ricerca nel campo della realizzazione delle macchine elettriche è quello di minimizzare l entità della potenza persa. Rendimento delle macchine elettriche È possibile associare a tutte le macchine elettriche un rendimento, espresso dal rapporto tra potenza utile e potenza di ingresso: Il rendimento di una macchina elettrica è un numero adimensionale, il cui valore è necessariamente compreso tra 0 e 1: È opportuno ricordare che il rendimento nullo (η = 0) corrisponde al mancato funzionamento della macchina, in quanto tutta la potenza di ingresso è persa nel tentativo di conversione, mentre il rendimento unitario non è fisicamente conseguibile: si assume η = 1 esclusivamente per le macchine ideali.

10 Analisi delle perdite La potenza persa nel processo di conversione energetica di una macchina elettrica può essere imputata a diverse cause, legate alle proprietà dei materiali componenti le apparecchiature, cioè elementi conduttori e circuiti magnetici. Per quanto concerne le sole macchine elettriche rotanti, non possono essere trascurate, inoltre, le perdite di potenza associate alla presenza di parti in movimento. Perdite nei conduttori La presenza, all interno delle macchine elettriche, di circuiti elettrici percorsi da corrente comporta necessariamente una dissipazione nei conduttori legata all effetto Joule. o Considerata la natura dei conduttori abitualmente in uso, la potenza persa per effetto Joule è comunemente indicata con l espressione di perdita nel rame. Per conduttori filiformi, cioè per conduttori nei quali la sezione si può considerare di ordine di grandezza trascurabile rispetto alla lunghezza dell avvolgimento, la quota di potenza persa per effetto Joule risulta: in cui I è il valore di corrente continua o il valore efficace di corrente alternata che percorre il singolo conduttore ed R è la sua resistenza, che dipende dalla resistività ρ del materiale, dalla sua lunghezza l e dalla sua sezione S. Se si considera la densità di corrente J che attraversa un conduttore:

11 mediante semplici passaggi matematici risulta: e, poiché il prodotto fra lunghezza e sezione di un conduttore ne fornisce il volume, la potenza persa per effetto Joule per unità di volume risulta: Nel caso di funzionamento in corrente alternata, inoltre, occorre ricordare che, all aumentare della frequenza della tensione di alimentazione e della sezione dei conduttori, le resistenza opposta dal materiale al passaggio della corrente è maggiore, in virtù dell effetto pelle, per cui la densità di corrente non si può ritenere uniforme, ma è superiore negli strati più esterni della sezione rispetto a quelli prossimi al centro. Infine, il fatto che più conduttori siano accostati fra loro, determina forze elettromotrici indotte create dai flussi magnetici di dispersione, in grado di aumentare l effettiva resistenza dei conduttori a causa dell ulteriore disuniformità di distribuzione della corrente nella sezione. Perdite nei circuiti magnetici I nuclei magnetici, percorsi da flussi indotti dalle correnti variabili che attraversano i conduttori o da campi esterni, sono normalmente realizzati in materiale ferromagnetico. Di conseguenza: le perdite nei circuiti magnetici sono indicate come perdite nel ferro. Le perdite nel ferro risultano dalla somma di due componenti: le perdite per correnti parassite e le perdite per isteresi:

12 Le perdite per correnti parassite, sono dovute al riscaldamento del nucleo magnetico a causa di correnti, concatenate con il flusso magnetico principale, che circolano su piani ortogonali alle linee di flusso, all interno degli elementi costituenti il circuito magnetico, normalmente conduttore. Per un elemento componente il nucleo magnetico, le perdite per correnti parassite risultano direttamente proporzionali al quadrato del suo spessore s, al quadrato della frequenza f della tensione di alimentazione e al quadrato del valore massimo BM dell induzione magnetica: Il valore del coefficiente di proporzionalità k cpar dipende dal tipo di materiale considerato. A parità di volume complessivo, le perdite per correnti parassite risultano inferiori in un materiale laminato rispetto a un materiale massiccio; per questo motivo nella costruzione dei nuclei delle macchine elettriche si utilizzano lamierini di materiale ferromagnetico, disposti in senso parallelo alla direzione dell induzione prevista nel funzionamento, come illustrato in figura 3. Non è possibile, invece, diminuire i valori di frequenza e di induzione massima, in quanto funzionali alle trasformazioni energetiche delle macchine.

13 Le perdite per isteresi sono intrinseche nel ciclo di magnetizzazione del nucleo delle macchine: nella fase di smagnetizzazione, infatti, i circuiti magnetici accumulano una certa quantità di energia, non riuscendo a restituire interamente quella fornita nel processo di magnetizzazione. Le perdite per correnti parassite risultano direttamente proporzionali alla frequenza della tensione di alimentazione e al valore massimo dell induzione BM elevato a un esponente α, variabile tra 1,6 e 2: Il coefficiente di proporzionalità k ist dipende dal tipo di materiale utilizzato e dall area del suo ciclo di isteresi. Perdite meccaniche Le perdite meccaniche, presenti esclusivamente nelle macchine rotanti, sono dovute all attrito che si manifesta nell accoppiamento meccanico tra parti fisse e parti in movimento, in particolare tra i supporti e l albero motore, tra le parti in movimento e l aria circostante (in moto naturale o forzato, per la ventilazione della macchina) e tra i contatti striscianti di transito della corrente elettrica. La quantificazione delle perdite meccaniche è di gran lunga più difficile rispetto alle altre forme di potenza persa: è consuetudine determinare sperimentalmente l entità delle perdite meccaniche in relazione a forma, dimensioni e utilizzo della macchina in uso. Le prove di laboratorio nelle macchine elettriche rotanti hanno consentito di stabilire legami di proporzionalità tra le perdite meccaniche e la velocità di rotazione. In particolare: le perdite per attrito nei contatti striscianti risultano proporzionali alla velocità; le perdite per attrito nei cuscinetti di supporto all albero sono proporzionali al quadrato della velocità; le perdite per ventilazione sono proporzionali al cubo della velocità.

14 Riscaldamento e tipo di servizio L insieme delle perdite descritte precedentemente comporta, oltre alla riduzione della potenza di uscita, il riscaldamento dei componenti sui quali sono localizzate le dissipazioni energetiche. Perché le parti costituenti una macchina elettrica, e in particolare i materiali isolanti, mantengono invariate le loro proprietà fisiche e meccaniche nel tempo è necessario limitare il degrado dovuto al riscaldamento inevitabile durante il servizio. Da questa considerazione consegue che la vita di una macchina elettrica, intesa come il periodo di tempo in cui l apparecchiatura è in grado di assolvere al compito per la quale è stata progettata e realizzata, diminuisce all aumentare della temperatura di esercizio prevista. Per contenere l aumento della temperatura si ricorre, in particolare per macchine di potenza elevata, a sistemi di raffreddamento forzato a fluido, in grado di potenziare lo smaltimento naturale del calore nell ambiente circostante il luogo di installazione e di funzionamento. Tra i più ricorrenti si ricordano impianti di ventilazione, di circolazione forzata di olio o acqua mediante pompe ausiliarie. Nelle macchine di potenza non elevata è spesso sufficiente ricorrere, in fase costruttiva, all aumento della superficie disperdente, ad esempio inserendo alette di raffreddamento, per sfruttare i naturali moti convettivi dell aria. Per ogni macchina elettrica è necessario, quindi, determinare i parametri di funzionamento ottimale, allo scopo di massimizzarne la vita. Non deve essere trascurato, in particolare, il tipo di servizio previsto per la macchina elettrica. In funzione del tempo per il quale una macchina è in grado di convertire energia a pieno carico, sia essa di natura elettrica o meccanica, si definiscono tre tipi di servizio: servizio continuo: la macchina elettrica, trascurato il periodo transitorio necessario all avviamento e al raggiungimento delle condizioni di regime termico previste, mantiene immutate, a meno di scostamenti trascurabili, i valori di potenza di ingresso, di potenza persa e di potenza di uscita, nelle condizioni di pieno carico. Tale situazione, ipoteticamente, può permanere per un tempo illimitato, senza disservizio alcuno; servizio di durata limitata: la macchina elettrica funziona in condizioni di pieno carico per un intervallo di tempo definito, trascorso il quale essa non effettua

15 ulteriori conversioni energetiche, almeno finché la sua temperatura non sia tornata a essere quella dell ambiente circostante. In altre parole, la macchina lavora sempre partendo da una condizione a freddo; servizio intermittente: la macchina elettrica funziona ciclicamente per intervalli di tempo definiti, trascorso ciascuno dei quali essa non riesce a riportarsi alle condizioni iniziali, di avviamento a freddo, prima di dover effettuare il lavoro previsto dalla scansione programmata. La temperatura media della macchina, pertanto, nonostante un regime di continue oscillazioni dovute al susseguirsi di riscaldamento e raffreddamento, si assesta entro un valore massimo e un valore minimo. La vita utile della macchina non risente del servizio intermittente, purché la temperatura massima raggiunta non superi quella ammissibile dagli isolamenti. Dati di targa Sulla targa delle macchine elettriche è riportata una serie di grandezze nominali che definiscono i valori limite per i quali il riscaldamento dei componenti è tale da garantire, anche in condizioni di servizio continuo, la vita preventivata in fase di progetto. Le grandezze nominali comunemente riportate, dette dati di targa della macchina, sono: la tensione nominale di alimentazione o erogata, espressa in V; la corrente nominale, espressa in A; la potenza nominale, espressa in W o in VA; la frequenza nominale, espressa in Hz. ed, esclusivamente per le macchine rotanti: il numero di giri nominale al minuto, in rpm; la coppia nominale dell albero, in N*m.

16 Possono essere specificati, inoltre: il tipo di servizio (continuo, intermittente, di durata limitata); indicazioni relative alla classe di isolamento, secondo le specifiche Norme del Comitato Elettrotecnico Italiano; dati relativi a prove a vuoto o in cortocircuito della macchina; valori di resistenze degli avvolgimenti (riportati alle temperature convenzionali stabilite dal CEI). Infine, è bene ricordare che tutte le macchine elettriche sono reversibili: le trasformazioni energetiche di ciascuna di esse, infatti, possono avvenire anche in senso opposto a quello progettuale, purché cambi il verso del flusso di energia tra i due sistemi accoppiati (elettrico-meccanico, meccanico-elettrico, elettrico-elettrico).