GENERALITA SULLE MACCHINE ELETTRICHE

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1 GENERALITA SULLE MACCHINE ELETTRICHE Una macchina è un organo che assorbe energia di un deerminao ipo e la rasforma in energia di un alro ipo. Energia in Energia in MACCHINA ingresso uscia Energia dispersa (Calore) Quesa rasformazione non è esene da fenomeni di ario per cui l energia che si oiene in uscia è minore di quella che viene fornia all ingresso. La differenza fra quese due energie cosiuisce l energia dispersa nell ambiene circosane soo forma di calore,la cui enià definisce il rendimeno della macchina. DINAMICHE MOTORI GENERATORI MACCHINE ELETTRICHE TRASFORMATORI STATICHE CONVERTITORI La macchina elerica è quella macchina che coinvolge la correne elerica negli scambi di energia fra ingresso e uscia. Le macchine eleriche si dividono in macchine saiche e dinamiche. Le macchine dinamiche sono macchine nelle quali vi sono pari meccaniche in movimeno(moori elerici e alernaori). Le macchine saiche sono le macchine che non hanno nessuna pare meccanica in movimeno(rasformaori). Il funzionameno delle macchine eleriche è legao alla circolazione di correni in conduori perché solo così avvengono gli scambi di energia. Le macchine eleriche sono fondamenalmene cosiuie da re caegorie di maeriali : - maeriali isolani per supporare i maeriali conduori enro i quali corrono le correni; - maeriali conduori necessari per far circolare le correni; - maeriali ferromagneici cioè maeriali enro i quali si fanno circolare i flussi magneici per avere ale induzioni con ridoe forze magneomorici. La qualià di una macchina elerica è individuaa dai segueni parameri: 1. Qualià dell isolameno; 2. Rendimeno della macchina; 3. Qualià di ui i componeni la macchina. L isolameno è la pare viale della macchina elerica. Se vi sono sovraccarichi o anomalie di funzionameno il maggior sviluppo di calore ineressa sia i conduori che gli isolani. E comunque l isolane a mosrare prima i suoi limii, avendo emperaure criiche di molo inferiori a quelle delle del conduore. 1

2 Lo scambio di energia dissipaa dalla macchina all ambiene circosane avviene sosanzialmene in due fasi: - Fase di accumulo (fase ransioria che avviene in empi brevi); - Fase di dispersione per irraggiameno,conduzione e convezione ( fase sazionaria che avviene in empi lunghi). Le macchine eleriche vengono definie in base alla classe di isolameno, caraerisica sempre riporaa nei dai di arga. Nei riguardi delle macchine,il valore della emperaura di funzionameno è di grande imporanza perché è da essa che dipende l efficienza della macchina sessa. E per queso che le norme C.E.I. sabiliscono i valori delle emperaure massime che non debbono essere superae dagli avvolgimeni rispeo ad una emperaura ambiene convenzionale. Le emperaure convenzionali di ambiene sono fissae dalle norme in 40 C per l aria e 25 C per l acqua, quando ques ulima rappresena il mezzo usao quale scambiaore di calore ( ad esempio nei rasformaori a raffreddameno forzao con circolazione d acqua). In funzione delle emperaure massime di funzionameno ammesse dalle predee norme, i diversi isolameni degli avvolgimeni delle macchine eleriche risulano classificai come segue : CLASSE Y A E B F H C Temp.( C) > 180 ENERGIA E POTENZA Un disposiivo capace di rasformare una qualsiasi forma di energia in un alra prende il nome di macchina : la poenza P rappresena l energia W rasformaa nell unià di empo W P = --- Nel Sisema Inernazionale l energia viene misuraa i Joule e la poenza in Wa. Una macchina ha la poenza di un wa quando rasforma l energia di un Joule in un secondo. L energia e la corrispondene poenza si presenano soo diverse forme : meccanica, ermica, idraulica, elerica, ec. In ogni caso sono espresse come prodoo di due grandezze,come risula da quano segue. ENERGIA MECCANICA IN UN MOTO DI TRASLAZIONE. L energia rasformaa è daa dal prodoo della forza per lo sposameno W = F x s La poenza corrispondene è daa da s P = F ---- = F x v dove W è l energia espressa in Joule, P la poenza espressa in Wa, F la forza in Newon, s lo sposameno in meri e v la velocià in meri al secondo. 2

3 ENERGIA MECCANICA IN UN MOTO DI ROTAZIONE. L energia rasformaa corrisponde al prodoo della coppia C per lo sposameno angolare θ. W = C x θ La poenza risula θ P = C --- = C x ω dove la coppia C è misuraa in N x m, lo sposameno angolare θ in radiani e la velocià angolare ω in rad/s. ENERGIA ELETTRICA. L energia rasformaa corrisponde al prodoo W = V x Q La poenza risula : dove Q è la carica espressa in coulomb. ENERGIA IDRAULICA. L energia rasformaa risula Q P = V x ---- = V x I W = p x v e la poenza W P = ---- = p x --- = p x q dove p è la pressione espressa in N/m 2, q la poraa in m 3 /s e v il volume in m 3. Osserviamo che la poenza nelle varie espressioni è sempre oenua come prodoo ra due faori, dei quali uno compare anche nell espressione dell energia. v 3

4 Si definisce macchina un sisema fisico capace di variare i due faori che cosiuiscono l espressione della poenza. E una macchina il disposiivo che rasforma poenza meccanica in elerica o viceversa: ai morsei elerici la poenza è presene come prodoo ra la ensione e la correne,menre all albero è presene come prodoo ra coppia e velocià angolare; nel caso ideale V x I = C x ω E una macchina anche il disposiivo che si limia a modificare il valore dei due parameri lasciandone inaleraa la naura,come ad esempio una coppia di ruoe denae che rasferisce la sessa poenza meccanica da un albero in roazione con coppia C 1 e velocià angolare ω 1 ad un alro caraerizzao da C 2 e ω 2 : P 1 = C 1 x ω 1 = C 2 x ω 2 = P 2 Se nella rasformazione almeno una poenza è di ipo elerico, il disposiivo prende il nome di macchina elerica. PERDITE E RENDIMENTO NELLA MACCHINA ELETTRICA Durane il funzionameno di una macchina elerica sono preseni : la poenza di ingresso Pi che enra nella macchina e che deve essere rasformaa; la poenza di uscia Pu dea anche poenza uile; la poenza persa o perdie Pp che non viene uilizzaa, ma si dissipa in calore all inerno della macchina. Per il principio di conservazione dell energia si deve avere : Pi = Pp + Pu Nella macchina ideale le perdie sono nulle e la poenza di uscia coincide con quella di ingresso. Nella macchina reale sono sempre preseni perdie,che rendono la poenza in uscia minore di quella in ingresso: si definisce rendimeno e si indica con η il rapporo Pu η = ---- Pi 4

5 Il rendimeno è una grandezza adimensionale e il suo valore è sempre compreso ra uno e zero. Un rendimeno elevao permee una riduzione dello spreco di energia con sensibile vanaggio economico nell esercizio di macchine di grande poenza e inolre riduce la produzione di calore all inerno della macchina. Si definisce poenza nominale o di arga la massima poenza che una macchina può erogare con coninuià senza superare la emperaura sopporabile dai maeriali che la cosiuiscono. Volendo ricavare elevaa poenza nominale da macchine di dimensioni conenue è necessario ridurre al massimo la produzione di calore dovuo alle perdie. Le macchine eleriche sono fondamenalmene cosiuie da un circuio magneico e da avvolgimeni in filo di rame percorsi da correne e le loro perdie possono essere suddivise in due caegorie : - Perdie P o cosani al variare della poenza in uscia, dovue a perdie nel ferro ( per iseresi e correni parassie ) e a perdie meccaniche ( arii sui cuscinei e perdie per venilazione ), quese ulime preseni solamene nelle macchine roani; - Perdie P j variabili con la poenza in uscia, cosiuie essenzialmene dalle perdie per effeo Joule negli avvolgimeni percorsi da correne, proporzionali al quadrao della correne. Le perdie magneiche si riducono con un maggiore dimensionameno dei circuii magneici e con l uilizzo di maeriali più pregiai; le perdie per effeo Joule vengono ridoe con l impiego di un maggiore volume di rame