Macchine elettriche. La macchina sincrona. Corso SSIS prof. Riolo Salvatore

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1 Macchine elettriche La macchina sincrona 07 prof.

2 Struttura Essa comprende : a) albero meccanico collegato al motore primo b) circuito magnetico rotorico fissato all albero (poli induttori) i) c) avvolgimento rotorico per l eccitazione dei poli d) circuito magnetico statorico o indotto e) avvolgimento statorico formato da matasse di conduttori f) cassa statorica per sostenere il nucleo magnetico indotto g) sistema di raffreddamento per macchine di grossa potenza Macchine con grande sviluppo assiale, turboalternatori a 2-4 poli, macchine con ridotto sviluppo assiale, meno veloci e con più di 4 poli

3 Rotore e avvolgimenti di eccitazione Nel Nel caso caso di di macchine con con elevato elevato numero numero di di poli poli si si usa usa il il rotore rotore a a poli poli salienti. salienti. In In questo questo tipo tipo di di macchine il il traferro traferro non non è è costante costante per per cui cui la la macchina è è detta detta anisotropa. Attorno Attorno ad ad ogni ogni polo polo è è avvolto avvolto l avvolgimento di di eccitazione I I turboalternatori hanno hanno invece invece il il rotore rotore a a poli poli lisci lisci e e lo lo spessore del del traferro traferro può può considerarsi praticamente costante costante per per cui cui la la macchina è è detta detta isotropa. L avvolgimento induttore è è sistemato dentro dentro le le cave cave di di rotore. rotore.

4 Statore e avvolgimento di indotto Il circuito magnetico statorico ha la forma di un cilindro cavo costituito da lamierini ferromagnetici legati (3%) di spessore pari a 0.5 mm. Lungo la circonferenza esterna sono praticate cave che alloggiano l avvolgimento indotto. La forma delle cave è semichiusa o aperta a seconda della potenza della macchina: piccola nel primo caso e grande nel secondo. Gli avvolgimenti statorici sono del tipo distribuito e simili a quelli delle macchine asincrone.

5 Sistemi di eccitazione In passato veniva usato un sistema costituito da una dinamo montata sullo stesso asse del generatore. Un altro sistema rotante ma che non impiega le spazzole striscianti (brushless) usa un generatore sincrono ausiliario che è coassiale con la macchina il quale alimenta un raddrizzatore a diodi la cui tensione in uscita fornisce quella di eccitazione per l avvolgimento rotorico. Nelle installazioni moderne si adotta l eccitazione statica che non prevede alcuna macchina elettrica poiché la tensione è fornita da un raddrizzatore alimentato da trasformatore trifase

6 Funzionamento a vuoto La macchina funziona a vuoto quando sono rispettate le seguenti condizioni: 1. Il motore primo imprime una velocità al rotore n o = 60 f / p 2. Il circuito rotorico è eccitato con corrente I ecc 3. Le fasi statoriche sono scollegate dalla rete elettrica esterna

7 Tensioni indotte statoriche Quando il rotore si sposta di un passo polare, il conduttore subisce una variazione di flusso pari a Φ. Tutto ciò avviene in un tempo Δt = τ/ω o = ½ T. Il valore medio della f.e.m. indotta nel conduttore è data dal rapporto ΔΦ / Δt = 2 f Φ. Per ottenere il valore efficace della tensione indotta basta moltiplicare per il fattore di forma k f. Tenendo conto che i conduttori sono distribuiti nelle cave, serve anche il coefficiente di Blondel per il calcolo della fem totale in N spire: E 0 = 2 k k f B N f Φ

8 Caratteristica a vuoto Nella formula della f.e.m. indotta, il flusso è quello a vuoto. Esisterà una relazione tra corrente e tensione che rappresenta la caratteristica a vuoto della macchina. Se la riluttanza si mantiene costante al variare della corrente di eccitazione, la caratteristica sarà lineare mentre, se la riluttanza, dopo un tratto lineare, non è più costante al variare della corrente di eccitazione a causa della saturazione, la tensione non aumenta più linearmente. Per I ecc = 0, si ha un valore di E 0 dovuto al magnetismo residuo.

9 Funzionamento a carico e reazione di indotto Il funzionamento a carico si ha quando: 1. Il motore primo imprime al rotore una velocità n 0 2. Nel circuito induttore circola una corrente I ecc 3. Le fasi di statore sono collegate alla rete elettrica Le correnti che attraversano le fasi di statore produrranno un campo rotante che gira nello stesso verso e con la stessa velocità del campo induttore (sincronismo). Il campo risultante sarà dato dalla composizione delle due fmm e quindi il flusso non sarà più uguale a quello a vuoto ma diverso. Si definisce reazione di indotto il complesso di quei fenomeni di natura magnetica, elettrica e meccanica che si verificano nel passaggio da vuoto a carico a causa delle correnti statoriche Per spiegare gli effetti della reazione di indotto si fanno le ipotesi: 1. Macchina isotropa 2. Caratteristica di magnetizzazione lineare 3. Resistenza e reattanza di dispersione delle fasi statoriche trascurabilit

10 Carico ohmico Nel passaggio da vuoto a carico si ha una variazione di tensione assimilabile alla cdt in una reattanza induttiva: questa variazione è dovuta alla reazione di indotto e originata dalla variazione di flusso è da attribuire ad una reattanza fittizia X r di reazione. I campi magnetici sono sfalsati tra loro di mezzo passo polare in quanto i flussi sono a 90 elettrici. I poli statorici si opporranno al moto del rotore esercitando su di esso una coppia resistente proporzionale alla corrente indotta. Affinché la velocità rimanga costante, il motore primo deve fornire una coppia motrice uguale ed opposta cioè deve dare potenza meccanica, che in assenza di perdite, equivale a quella elettrica erogata dalla macchina.

11 Carico induttivo In questo caso si possono trarre le seguenti conclusioni: 1. Il flusso di reazione è opposto a quello di eccitazione per cui il flusso risultante risulta ridotto (smagnetizzazione) 2. La fem indotta a carico è più piccola di quella a vuoto 3. Le polarità dei campi magnetici sono affacciate l una all altra e di segno uguale 4. In ogni istante si manifestano forze di repulsione in direzione assiale che non ostacolano il moto quindi non esiste alcuna coppia resistente

12 Carico capacitivo 1. Il flusso di reazione è in fase con quello di eccitazione quindi il flusso risultante sarà più grande di quello a vuoto (magnetizzazione) 2. La fem indotta a carico è più grande di quella a vuoto 3. Le polarità dei due campi sono affacciate l una a l altra e di segno contrario 4. In ogni istante si manifestano forze di attrazione in direzione assiale che non ostacolano il moto quindi non esiste alcuna coppia resistente

13 Circuito equivalente di BEHN- ESCHEMBURG Le considerazioni che portano al modello semplificativo in oggetto valgono quando sono verificate le ipotesi semplificative di macchina isotropa con caratteristica lineare. E 0 = V f + R i I +j X d I + j X r I Il temine R i +j (X( d + X r ) prende il nome di impedenza sincrona Zs. Trascurando la R i si ottiene il diagramma vettoriale a destra

14 C.d.t. da vuoto a carico Collegato l alternatore al carico, stabilita la corrente I ecc, la tensione ai morsetti varia da E 0 a V f. La differenza tra questi due valori determina la c.d.t. nel passaggio da vuoto a carico.

15 Caratteristica esterna Essa rappresenta la curva dell andamento della tensione ai morsetti della macchina in funzione della corrente erogata dal carico, mantenendo costante la corrente di eccitazione ed il cos φ.

16 Caratteristica di regolazione Quando l alternatore è collegato ad una rete elettrica, la corrente di eccitazione non può rimanere costante al variare del carico e del cos φ perché la tensione ai morsetti subirebbe anch essa delle variazioni. Se si vuole avere una V= cost occorre variare la Iecc in funzione di I a parità di cos φ.

17 Caratteristica di carico Se si aumenta la corrente di eccitazione tenendo costante quella di carico è chiaro che la tensione aumenta in quanto cresce il flusso. Mantenendo costante la I ed il cos φ si traccia la caratteristica di carico della V in funzione della corrente di eccitazione. Punto di corto circuito

18 Bilancio delle potenze La macchina assorbe una potenza Pa e trasmette al carico una potenza utile Pu. La differenza delle due è quella persa nella macchina. Il flusso di potenza può essere il seguente.

19 Coppia come generatore Consideriamo l alternatore secondo il criterio di Behn-Eschemburg dove si suppone trascurabile la Ri: Si può ricavare dal diagramma vettoriale che: I cos φ = V of sinδ / X s La potenza erogata dipende dall angolo δ di anticipo della tensione a vuoto rispetto quella a carico. La potenza erogata dalla macchina sarà P = 3 Vf I cos φ. Sostituendo si ottiene: 3V f V0 f V V0 P = sinδ = sinδ X X s s

20 Coppia come motore Quando la potenza e la coppia sono negative, cioè quando sin δ < 0, δ < 0, tensione a vuoto in ritardo su quella a carico, si ha il funzionamento da motore.

21 Considerazioni nel funzionamento da motore Il circuito equivalente è sostanzialmente uguale a quello del generatore, solo che la corrente è inversa e la fem indotta E0 è una fcem. Facendo funzionare il motore con potenza attiva e tensione costante, il valore ed il segno della potenza reattiva dipendono da regime di eccitazione: 1. In sottoeccitazione, il motore assorbe una corrente sfasata in ritardo rispetto alla tensione: la rete lo vede come un carico ohmico-induttivo 2. In sovraeccitazione, la corrente assorbita è sfasata in anticipo rispetto alla tensione: la rete lo vede come un carico ohmico-capacitivo 3. Regolando l eccitazione si fa in modo di assorbire una corrente in fase con la tensione: la rete lo vede come un carico ohmico (minima corrente e max rend.)

22 Curve a V Per ogni valore della potenza attiva assorbita e della tensione di alimentazione esisterà un valore della corrente di eccitazione che rende minima la corrente assorbita e per il quale il motore sincrono si comporta come un carico ohmico. Aumentando o diminuendo la corrente di eccitazione, la corrente assorbita aumenta. Questo comportamento è descritto dalle curve a V.

23 Compensatore sincrono Se il motore sincrono, senza carico meccanico, viene fatto funzionare in sovraeccitazione, esso assorbe dalla rete elettrica una potenza reattiva capacitiva comportandosi come un condensatore di rifasamento. Per questo motivo veniva usato una volta per rifasare le reti elettriche in alta tensione.

24 Dati di targa Le principali grandezze caratteristiche sono: 1. Tensione nominale 2. Tensione e corrente di eccitazione nominali 3. Frequenza nominale 4. Velocità nominale 5. Potenza nominale che la macchina eroga come generatore 6. Potenza nominale che la macchina eroga al carico meccanico come motore 7. Corrente nominale 8. Fattore di potenza nominale 9. Rendimento nominale