Sistemi di raffreddamento in aria

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1 Sistemi di raffreddamento in aria Macchina con raffreddamento a secco con ventilazione naturale Macchina autoventilata - Macchina che provvede da se stessa alla propria ventilazione senza ausilio di alcuna forza motrice salvo quella del proprio albero e utilizzando quale fluido di provenienza esterna solo aria. Macchina a raffreddamento separato - Macchina il cui raffreddamento è assicurato da aria convogliata per mezzo di una forza motrice non derivata dal proprio albero o da un fluido diverso dall'aria, di provenienza esterna.

2 Sistemi di raffreddamento in olio In olio con circolazione e raffreddamento naturale dell olio li (ONAN) In olio con circolazione naturale e raffreddamento forzato dell olio (ONAF) In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell olio (OFAF)

3 Tipi di servizio Norme CEI -3, IEC S1 - Servizio continuativo S - Servizio di durata limitata S3 - Servizio intermittente periodico S4 - Servizio intermittente periodico con avviamento S5 - Servizio intermittente periodico con frenatura elettrica S6 - Servizio ininterrotto periodico con carico intermittente S7 - Servizio ininterrotto periodico con frenatura elettrica S8 - Servizio ininterrotto periodico con variazioni correlate di carico e velocità S9 - Servizio con variazioni non periodiche di carico e velocità

4 Tipi di servizio S1 - Servizio continuativo : Funzionamento del motore a carico costante per un periodo di tempo indefinito, ma comunque sufficiente a raggiungere l equilibrio termico e la massima temperatura ammissibile per gli isolanti. E il tipo di servizio più comune. t on > 5T th (T th =0.4 1,6 ore)

5 Tipi di servizio S - Servizio di durata limitata: Funzionamento del motore a carico costante per un periodo di tempo limitato, insufficiente a raggiungere l equilibrio termico, seguito da un periodo di riposo sufficiente a riportare il motore a temperatura ambiente. t on < 5T th t off > 5T th

6 Tipi di servizio S3 - Servizio intermittente periodico: Funzionamento del motore secondo un ciclo comprendente un periodo di tempo a carico costante (N) ed un periodo di tempo di riposo (R). La macchina non raggiunge il regime termico né in riscaldamento, né in raffreddamento. La corrente di avviamento non influisce sulle temperature. t on < 5T th t off < 5T th Rapporto di intermittenza % = N/(N+R) 100

7 Tipi di servizio S4 - Servizio intermittente periodico con avviamenti che influenzano il riscaldamento Funzionamento del motore secondo un ciclo comprendente un tempo di avviamento notevole (D), un periodo di funzionamento a carico costante (N) e un periodo di tempo di riposo (R). Rapporto di intermittenza % = (D+N)/(D+N+R) 100

8 Tipi di servizio S5 - Servizio intermittente periodico con avviamenti e frenature che influenzano il riscaldamento. Come S4 ma con l aggiunta di una frenatura elettrica. Rapporto di intermittenza % = (F+D+N)/(F+D+N+R) 100

9 Potenza nominale La potenza nominale è la potenza che la macchina può erogare in un certo tipo di servizio alle condizioni elettriche e meccaniche nominali (tensione, corrente, cos φ, frequenza, velocitàdi rotazione), senza superare la temperatura massima θ max ammessa dalle norme per i materiali isolanti usati. La potenza nominale e espressa in VA per i trasformatori, in VA (con un fattore di potenza non inferiore ad un certo valore) per i generatori sincroni, in W per tutti i motori (a corrente alternata e continua) e per i generatori in corrente continua. In servizio discontinuo la temperatura massima θ max risulta < θ. In tal caso la potenza nominale di una stessa macchina può essere incrementata rispetto al servizio continuo, purché sia θ max < θ amm.

10 Potenza nominale Nel caso di servizio S, è possibile calcolare la potenza massima sviluppabile da un azionamento in servizio di durata limitata P dl in funzione del tempo di attivazione t c, della costante di tempo termica T e della potenza nominale in servizio continuativo P n

11 Potenza nominale Si suppone che il funzionamento in sovraccarico sia tale che: Si ha:

12 Potenza nominale Nel caso generale in cui si debba determinare la potenza di un motore chiamato a svolgere un ciclo di lavoro con tratti a diverso carico, si può applicare il principio di sollecitazione termica equivalente, per determinare la potenza nominale equivalente in servizio continuo. Nell ipotesi che: Si ha:

13 Materiali attivi Funzione Materiali attivi Conduttori Ferromagnetici Isolanti Convogliano le correnti Convogliano i flussi Materiali Rame Alluminio Leghe Fe-Si Riscaldamento dovuto a: Perdite per unità di massa Effetto Joule Perdite addizionali Isteresi Correnti parassite Prevengono la conduzione tra parti a diverso potenziale Carta Vernici Tessuti impregnati Resine Contatto con altri materiali W/kg 1 5 W/kg Qualche mw/kg Pricipali proprietà: Bassa resistività Elevata permeabilità Elevata Rigidità dielettrica Elevata resistività Invarianza con la temperatura

14 Materiali conduttori I materiali conduttori più utilizzati per la realizzazione delle macchine elettriche sono il rame e l alluminio. Quest ultimo però solo nei rotori delle macchine asincrone e raramente nei trasformatori. L ottone è utilizzato nella realizzazione del rotore delle macchine asincrone a doppia gabbia, mentre la grafite è utilizzata per la realizzazione delle spazzole nelle macchine sincrone e nelle macchine a corrente continua Materiale Resistività a 0 C [μωm] Resistività a 80 C [μωm] Densità di massa [kg/dm 3 ] Rame Alluminio A parità di resistenza un conduttore d alluminio pesa la metà di un conduttore di rame, ma occupa un volume maggiore

15 Materiali conduttori Perdite nei materiali conduttori In corrente continua In corrente alternata Effetto Joule Effetto Joule + Perdite addizionali

16 Materiali conduttori Perdite in corrente continua Legge di Joule La potenza dissipata i in un resistore di resistenza R ai cui capi è applicata una tensione V e percorso da una corrente I vale: P = VI = RI Se I e V sono costanti nel tempo, l energia dissipata nel conduttore nel tempo t vale: W = VIt = RI t Perdite per unità di volume VI p = Vol V = l I S = EJ = ρ J Perdite per unità di massa p massa = ρj /δ [ per il rame W/kg ] δ = densità del materiale

17 Materiali conduttori Dipendenza di ρ dalla temperatura Nei conduttori metallici ρ aumenta con la temperatura perché aumenta il moto disordinato degli elettroni. Sperimentalmente si ha per un conduttore metallico alle temperature θ 1 e θ : α(θ) = coefficiente di temperatura: α 0 = valore di α(θ) a 0 C. ρ = ρ 1 [ 1 + α(θ 1 )(θ θ 1 )] α(θ) = α 0 /( 1 + α 0 θ ) = 1/( 1/ α 0 +θ )

18 Materiali conduttori Si ha quindi: ρ = ρ 0 ( 1 + α 0 θ ) ρ 1 = ρ 0 ( 1 + α 0 θ 1 ) ρ = ρ 1 ( 1/ α 0 + θ ) /( 1/ α 0 + θ 1 ) α 1 = 1 / (1/ α 0 + θ 1 ) La resistività e quindi le perdite per effetto Joule dipendono dalla temperatura. Per identificare univocamente le perdite è quindi necessario rapportarle ad una temperatura di riferimento. Nel caso delle macchine elettriche le perdite negli avvolgimenti vanno riportate a: 75 C per macchine con temperatura di esercizio < 80 C 115 C per macchine con temperatura di esercizio < 10 C

19 Materiali conduttori Perdite in corrente alternata t (Perdite addizionali) i L'applicazione di una tensione continua genera una distribuzione uniforme della densità di corrente J nella sezione del conduttore. Una tale distribuzione rende minime le perdite per effetto Joule e da luogo alla resistenza in corrente continua RDC pari alla pendenza del diagramma tensione - corrente. In corrente alternata, il campo magnetico rende il modulo del vettore J variabile nella sezione del conduttore. In questo caso non e' più definibile una R come rapporto V/I. Si può invece definire una resistenza in corrente alternata RAC sulla base della misura o del calcolo delle perdite in corrente alternata PAC nel conduttore: RAC = PAC / I > RDC dove I è il valore efficace della corrente alternata.

20 Materiali conduttori Suddividendo id d idealmente il conduttore in due soli conduttori elementari si può dimostrare che una disuniforme distribuzione di corrente determina un aumento delle perdite. Sia I la corrente che percorre i due conduttori elementari connessi in parallelo. Ognuno dei due conduttori elementari ha resistenza R, quindi il conduttore ha resistenza complessiva R. Supponiamo che la corrente si ripartisca in modo disuniforme tra i due conduttori elementari. La corrente che attraversa i due conduttori elementari sia rispettivamente: I = ( 1 + α ) I = 1 α I 1 ( ) I Le perdite totali valgono: P I 4 I ( 1 + α + α ) + R ( 1 + α α ) = RI ( + α ) d = R 1 4 Si ottiene quindi un aumento di α rispetto al caso di uniforme distribuzione della densità di corrente.

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22 Materiali conduttori Per un avvolgimento di N spire di altezza h, dimensione i radiale a, e percorso da una corrente uniformemente distribuita nella sezione, con una densità di corrente δ, la corrente in una spira è: I = δ a h La forza magnetomotrice che agisce su un tubo di flusso elementare posto all'esterno della bobina vale: M = NI = Nδah Il campo magnetico e l'induzione risultano: H M N δ a h = = = δ a l Nh B = μ H = μ 0 0 δ a e sono indipendenti dal numero di spire.

23 Materiali conduttori Per un tubo di flusso in una posizione generica lontana x dal bordo interno si ha rispettivamente: H x = δ x Bx 0 = μ δ x φ x = a B x xdx a = μδ x Riferito ad 1 m di sviluppo longitudinale del conduttore

24 Materiali conduttori Il flusso concatenato φ x è massimo per i filetti a sinistra, nullo al bordo esterno (x = a); ed ha andamento parabolico. Il flusso di dispersione, investendo i conduttori, induce una forza elettromotrice E x diretta secondo il senso di percorrenza della corrente che vale: E x = ωφ = ωμδ x a x Tale tensione determina una disuniforme if distribuzione ib i della corrente nella sezione del conduttore, e quindi un addensamento della corrente su di un lato, ed una conseguente rarefazione della parte opposta. Le perdite addizionali dipendono: Dal quadrato della frequenza. Dal quadrato della permeabilità. Dal quadrato della corrente Dalla resistività ρ. Infatti, con il crescere di ρ diminuiscono le perdite addizionali. Pertanto inoltre le perdite addizionali diminuiscono all aumentare della temperatura.