AZIONAMENTI ELETTRICI

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1 AZIONAMENTI ELETTRICI SORGENTE ENERGIA UTENTE SUPERVISORE PROCESSO C I R C U I T O D ' I N T E R F A C C I A CONVERTITORE STATICO CIRCUITO DI CONTROLLO SENSOR I \ \ MOTORE TRASMISSIO NE MECCANICA CARICO MECCANICO

2 INTRODUZIONE Le applicazioni industriali (CIVILI E INDUSTRIALI) usano sistemi di generazione del moto assistito che garantiscono la possibilità di controllare: - grandezze meccaniche STATICHE (posizione) - grandezze meccaniche CINEMATICHE (velocità) - grandezze DINAMICHE (accelerazione e coppia) AZIONAMENTO è il complesso di sistemi atti a produrre il moto di un carico meccanico mantenendo controllate, istante per istante, le grandezze meccaniche d'interesse. Ogni AZIONAMENTO comprende un organo di potenza chiamato ATTUATORE capace di produrre il lavoro meccanico connesso al moto.

3 INTRODUZIONE ATTUATORE: IDRAULICO-PNEUMATICO-ELETTRICO AZIONAMENTO TEMPO, FREQUENZA CARICO MECCANICO L'azionamento attua la sua funzione attraverso una FORZA (attuatore lineare) o più comunemente attraverso una COPPIA (attuatore rotante)

4 INTRODUZIONE AZIONAMENTO ELETTRICO: l'azionamento fa uso di un attuatore elettrico, ossia una macchina elettrica, che funziona da motore, nella quale avviene una conversione di energia elettrica in energia meccanica. ENERGIA ELETTRICA ENERGIA MECCANICA MOTORE

5 INTRODUZIONE Un azionamento può essere visto come un insieme di elementi che interagiscono tra loro, con i quali, fissata una strategia di controllo si possono ottenere in modo automatico i movimenti voluti del carico Nella dipositiva successiva è stato rappresentato uno SCHEMA A BLOCCHI DI UN GENERICO AZIONAMENTO Gli elementi fondamentali sono - motore -convertitore statico -dispositivo di controllo

6 INTRODUZIONE SORGENTE ENERGIA UTENTE C I R C U I T O CONVERTITORE STATICO \ SENSOR I MOTORE TRASMISSIONE MECCANICA CARICO MECCANICO SUPERVISORE PROCESSO D ' I N T E R F A C C I A CIRCUITO DI CONTROLLO \

7 MOTORE ELETTRICO Il motore è il componente che trasforma energia elettrica fornita dal conventitore statico in energia meccanica necessaria al moto delle parti meccaniche (carico meccanico) In questo contesto il MOTORE è un ATTUATORE

8 MOTORI ELETTRICI TIPI DI MOTORI IMPIEGATI NEGLI AZIONAMENTI ELETTRICI IN CORRENTE CONTINUA ASINCRONO MOTORI ELETTRICI IN CORRENTE ALTERNATA SENZA MAGNETI PERMANENTI SINCRONI A PASSO CON MAGNETI PERMANENTI

9 MACCHINA ELETTRICA Una MACCHINA ELETTRICA trasforma energia e il principio di funzionamento si basa sulle leggi dell'elettromagnetismo: 1) LEGGE DELL'INDUZIONE ELETTROMAGNETICA I un circuito elettrico soggetto ad un flusso magnetico variabile (che a sua volta è stato creato da una corrente variabile, ovvero una corrente alternata) nel tempo diventa sede di tensione indotta Legge Faraday, Newmann, Lenz comunemente chiamata legge di Lenz Δ Φ e(t)= Δ t

10 MACCHINA ELETTRICA 2) LEGGE DELL' AZIONE ELETTRODINAMICA (ESPERIENZA DI FARADAY) Un conduttore percorso da corrente e sottoposto a un campo magnetico di induzione B crea una forza magnetica F=B I l F=forza magnetica B=induzione magnetica I=corrente elettrica l=lunghezza conduttore

11 MACCHINA ELETTRICA Una macchina elettrica può essere considerata come un sistema interessato da una potenza in ingresso P1(chiamata potenza assorbita) e una potenza d'uscita P2 (chiamata potenza resa, nominale o utile) Durante il funzionamento si avranno le perdite di potenza, dovute a vari fattori: -perdite nel rame, chiamate perdite per effetto Joule dipendono dalla resistenza elettrica dell'elemento conduttore P joule = R I 2 - perdite nei nuclei magnetici: si verificano dei tipi di perdite magnetiche: per isteresi magnetica e per correnti di parassite (correnti di Foucalt). Le perdite per isteresi magnetica sono dovute alle magnetizzazioni e smagnetizzazioni, dovute alla corrente variabile; dipendono dal tipo di materiale, dalla frequenza e induzione.

12 MACCHINA ELETTRICA Le correnti di Foucalt o correnti parassite dipendono dalla frequenza, dal materiale. Il conduttore ha una piccola conducibilità che fa nascere queste correnti. -perdite degli isolanti: chiamate perdite dielettriche, nasce perchè ho una variazione della polarità sullo strato isolante, dunque si avrà l'inversione ciclica del verso di polarizzazione dell'isolante. -perdite meccaniche: dovute all'attrito (nei cuscinetti di supporto dell'albero, dipendono dal tipo di cuscinetto, dal peso dell'albero in rotazione e sono proporzionali alla velocità dell'albero); perdite per ventilazione (attrito tra l'albero e l'aria); perdite per attrito spazzole e collettore: si verificano nelle macchine in corrente continua, dove sul collettore vengono appoggiate le spazzole

13 MACCHINA ELETTRICA - perdite addizionali: sono le potenze che non è possibile calcolare in modo analitico, sono tutte quelle perdite differenti da quelle principali (perdite nel rame negli avvolgimenti, perdite nel ferro dovute ai nuclei magnetici). Solitamente sono perdite dovute ai flussi variabili MACCHINA ELETTRICA P1 P2 Pp

14 MOTORE CORRENTE ALTERNATA I motori elettrici in corrente alternata si suddividono in MOTORI ASINCRONI, chiamati M.A.T. E motori SINCRONI La differenza tra i due è legata alla velocità relativa tra il rotore ed il campo magnetico che nei MAT è diversa da zero e nei motori SINCRONI è nulla VANTAGGI NELL'USO DI MOTORI ASINCRONI PER GLI AZIONAMENTI - i MAT sono generalmente di tipo trifase - non richiedono praticamente manutenzioni, dunque sono preferibili nelle applicazioni dove essi vengono montati in zone poco accessibili, dove sarebbe molto difficile effettuare delle manutenzioni -A parità di coppia prodotta sull'albero di rotazione, i MAT (motori asincroni trifase) sono più LEGGERI,più PICCOLI

15 VANTAGGI MOTORI ASINCRINI TRIFASE -A parità di coppia prodotta sull'albero di rotazione, i MAT (motori asincroni trifase) sono più LEGGERI, più PICCOLI e più facilmente reperibili dei motori in corrente continua, almeno per potenze PICCOLE e MEDIE. - I MAT possono operare in ambienti UMIDI, CORRISIVI o ESPLOSIVI si usano come involucri esterni delle speciali carcasse speciali, a costo contenuto, che li difendono da agenti atmosferici e corrisivi - sono preferibili ai motori in corrente continua, perchè se calettati su carichi variabili o carichi molto leggeri per tempi prolungati, non presentano particolari condizioni svantaggiose, mentre se vengono usati i motori in corrente continua si avranno un degrado più facile del sistema collettore-spazzole

16 STRUTTURA MOTORE ASINCRINO TRIFASE La struttura di un macchina sincrona dipende: potenza della macchina (di conseguenza le sue dimensioni), dalla tensione di alimentazione, sistema di raffreddamento, dal carico meccanico calettato e agli agenti atmosferici esterni Il MAT è composto da due parti: STATORE che è la parte fissa e il rotore che è la parte rotante La struttura del MAT è: - CASSA STATORICA: ha la funzione di contenere le parte interne e proteggere il motore agli agenti atmosferici, permette di fissare la macchina elettrica al piano di supporto, dunque resistere piu' facilmente alle sollecitazioni meccaniche (vibrazioni, peso...) - MORSETTIERA: per collegare il motore al circuito esterno

17 STRUTTURA MOTORE ASINCRINO TRIFASE La struttura di un macchina sincrona dipende: potenza della macchina (di conseguenza le sue dimensioni), dalla tensione di alimentazione, sistema di raffreddamento, dal carico meccanico calettato e agli agenti atmosferici esterni Il MAT è composto da due parti: STATORE che è la parte fissa e il rotore che è la parte rotante La struttura del MAT è: - CASSA STATORICA: ha la funzione di contenere le parte interne e proteggere il motore agli agenti atmosferici, permette di fissare la macchina elettrica al piano di supporto, dunque resistere piu' facilmente alle sollecitazioni meccaniche (vibrazioni, peso...) - MORSETTIERA: per collegare il motore al circuito esterno

18 STRUTTURA MOTORE ASINCRINO TRIFASE - Circuito magnetico statorico: qui si sviluppa il campo magnetico di statore; - Avvolgimento statorico: è formato da tre fasi e ha il compito di creare il campo magnetico che consente il funzionamento della macchina (si crea in campo magnetico induttore); - Circuito magnetico rotorico: è collegato all albero rotante ed è separato dallo statore dal traferro(spazio in aria); in esso si sviluppa il campo magnetico di rotore (campo indotto); - Avvolgimento rotorico: costituisce l avvolgimento indotto che sviluppa la coppia motrice della macchina; - Albero meccanico: serve per il collegamento al carico, è montato su dei cuscinetti che gli permettono di ruotare; - Ventola di raffreddamento: ha la funzione di attivare la circolazione dell aria sulle parti in cui si sviluppa calore.

19 STRUTTURA MOTORE ASINCRINO TRIFASE

20 STRUTTURA MOTORE ASINCRINO TRIFASE

21 CASSA STATORICA MAT Vi sono due tipi di casse statoriche per i motori asincroni: - cassa in lamiera d acciaio: è formata da vari pezzi saldati tra di loro, è adatto per motori di media e grande potenza, per i quali le elevate dimensioni non permettono di ottenere casse a pezzo unico. - cassa in acciaio o in alluminio: è ottenuta in un unico pezzo, con il processo della pressofusione, questo metodo consiste nell iniettare il metallo fuso in pressione all interno di una forma, detta conchiglia, posta in rotazione, in modo tale che il metallo vada a ricoprire tutti gli spazi vuoti della forma; dopo il raffreddamento si estrae dalla forma il pezzo finito.

22 CASSA STATORICA MAT

23 CIRCUITO MAGNETICO STATORICO Il circuito statorico è formato da lamierini ferrognatici con spessore 0,5mm in acciaio con 3% di silicio per evitare un eccessivo infragilimento del materiale, aventi forma di corona circolare. Per motori con elevata dimensione, per motivi di smaltimento di calore, vengono lasciati degli spazi vuoti chiamati canali di raffreddamento a distanza costante

24 CIRCUITO MAGNETICO ROTORICO Il circuito magnetico rotorico ha forma circolare ed è meccanicamente solidale all'albero rotante. E' formato da lamierini ferromagnetici, con canali di raffreddamento a distanza regolare lungo la dimensione assiale, l'uso dei lamierini è per ridurre le perdite nel ferro.

25 AVVOLGIMENTO STATORICO L'avvolgimento statorico è di tipo trifase, alimentato in corrente alternata sinusoidale. Nel funzionamento da MAT è collegato alla rete elettrica di alimentazione ed ha la funzione di produrre il campo magnetico rotante induttore. Il collegamento viene effettuato mediante morsettiera, mediante sei morsetti e tre barre di collegamento: - collegamento a stella -collegamento a triangolo

26 AVVOLGIMENTO STATORICO COLLEGAMENTO A STELLA

27 AVVOLGIMENTO STATORICO COLLEGAMENTO A TRIANGOLO

28 AVVOLGIMENTO STATORICO L'avvolgimento statorico è di tipo distribuito, ossia i conduttori di ciascuna fase (nel MAT ci sono tre fasi) sono distribuiti all'interno delle cave destinate a ogni fase.

29 AVVOLGIMENTO ROTORICO Esistono due tipi di avvolgimenti rotorici: - macchine a rotore avvolto; - macchine a rotore a gabbia, distinte ancora in gabbia semplice (più comunemente chiamata a gabbia di scoiattolo), doppia gabbia

30 AVVOLGIMENTO ROTORICO Nelle macchine con rotore avvolto sulla parte rotante ci sono le cave rotoriche. Per il funzionamento è necessario utilizzare un reostato di avviamento (una resistenza variabile, che viene inserita nei primi istanti di funzionamento).

31 RESISTENZA DI AVVIAMENTO

32 GABBIA SEMPLICE Nei motori a gabbia semplice, soluzione molto diffusa per le macchine di piccola e media potenza senza problemi di avviamento, l'avvolgimento rotorico è costituito da un insieme di barre conduttrici in rame e alluminio poste una per cava, collegate alle estremità mediante degli anelli, in modo da formare un percorso chiuso.

33 GABBIA DOPPIA USATI PER MOTORI CON ELEVATA COPPIA DI AVVIAMENTO, CI SONO DUE GABBIE, UNA ESTERNA ED UNA INTERNA, CHIUSE CON ANELLI TIPI DI RAFFREDDAMENTO Il tipo di raffreddamento dipende dalla potenza della macchina e dal grado di protezione contro l'intrusione di agenti esterni [chiamato grado di protezione IP è seguito da due cifre la prima fornisce informazioni per la penetrazione dei solidi e la seconda cifra contro la penetrazione dei liquidi]

34 GRADO DI PROTEZIONE IP

35 TIPI DI RAFFREDDAMENTO Vi sono molteplici sistemi di raffreddamento: - ventilazione naturale,, usata nelle macchine con cassa statorica dotata di aperture verso l'esterno in modo da consentire la ventilazione di aria dall'ambiente esterno -ventilazione forzata la circolazione dell'aria, dall'esterno all'interno, è attivata da una ventola. Nel caso di macchina totalmente chiusa, la ventola viene montata dall'esterno e soffia aria nella cassa statorica (la cassa statorica è dotata di alette di raffreddamento per aumentare la superficie disperdente) -scambiatore di calore aria-aria,, usati nelle macchine di elevata potenza, in cui il flusso di aria interno viene raffreddato da un flusso esterno in controcorrente; i due flussi attivati dalle ventole, non si mescolano mai

36 TIPI DI RAFFREDDAMENTO Vi sono molteplici sistemi di raffreddamento: - scambiatori di calore aria-acqua vengono usati per macchine di elevata potenza e chiuse, in cui il flusso di aria all'interno va a lambire un sistema di tubi dove passa l'acqua di refrigerazione, che lo raffredda