Macchine elettriche in corrente continua

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1 cchine elettriche in corrente continu Generlità Può essere definit mcchin un dispositivo che convert energi d un form un ltr. Le mcchine elettriche in prticolre convertono energi elettric in energi meccnic e vicevers. In prticolre vengono definiti OTOI ELETTII le mcchine che convertono energi elettric in energi meccnic: I dispositivi che invece convertono energi meccnic in energi elettric vengono detti GENEATOI: Energi Elettric OTOI Energi eccnic A second che le mcchine elettriche bbino prti mobili o meno si h un suddivisione in: cchine elettriche rotnti cchine elettriche sttiche Energi eccnic GENEATOI Energi Elettric Delle ultime fnno prte i TASFOATOI, che hnno l funzione di modificre l mpiezz di tensione e corrente. Un ulteriore clssificzione delle mcchine elettriche si h in bse ll form dell energi elettric utilizzt: si vrnno quindi cchine in corrente continu cchine elettriche in corrente lternt Le mcchine elettriche hnno l prticolrità di essere reversibili, cioè un stess mcchin può funzionre si d motore che d genertore. I genertori in corrente continu vengono detti DINAO, quelli in corrente lternt ALTENATOI 1

2 Il otore In orrente ontinu ostituzione È un mcchin elettric rotnte in corrente continu che converte energi elettric in energi meccnic. È costituit principlmente d uno STATOE, che è l prte fiss dell mcchin e h il compito di produrre il FLUSSO AGNETIO necessrio l suo funzionmento. È relizzto in mterile ferromgnetico (ferro, ghis, cciio), ed è dotto di opportune ESPANSIONI POLAI ove viene prodotto il cmpo mgnetico. Lo sttore h l form di un cilindro cvo ed è fornito di un bsmento o di piedi che lo fissno terr. B N S ESPANSIONI POLAI Le mcchine elettriche possono possedere nche più coppie polri. cchine di piccol potenz producono il flusso mgnetico medinte mgneti permnenti posizionti in corrispondenz delle espnsioni polri. Per mcchine di potenz superiore invece il flusso mgnetico viene generto medinte un corrente di eccitzione che percorre ppositi vvolgimenti detti ppunto AOLGIENTI DI EITAZIONE, posizionti intorno lle espnsioni polri. 2

3 Il OTOE è costituito d un cilindro di mterile ferromgnetico posizionto ll interno dello sttore, ed è libero di ruotre intorno l proprio sse. Sul rotore sono llocti, in pposite cve gli vvolgimenti di rmtur, detti nche vvolgimento di indotto, i cpi dei quli, con rotore in movimento, si gener un forz elettromotrice. L prte in ri tr sttore e rotore viene definit TAFEO, in quest zon il cmpo mgnetico h l mggiore intensità. ontto sullo stesso lbero del rotore si h il OLLETTOE. Questo h lo scopo di fornire gli vvolgimenti l tensione di limentzione e fre si che l coppi genert dll corrente che il ttrvers si costnte o quntomeno unidirezionle. Il collettore è costituito d lmelle in rme, disposte formre un cilindro, in collegmento elettrico con i conduttori che costituiscono gli vvolgimenti di rmtur. Le lmelle sono isolte tr loro medinte un dielettrico, solitmente mic. Le spzzole striscino sul collettore sul collettore e lo collegno elettricmente i terminli esterni dell mcchin. Sono relizzte in mterile conduttore più tenero del collettore, solitmente grfite, in modo che col tempo sino queste d usurrsi in qunto l loro sostituzione risult più semplice ed economic che un intervento sul collettore. 3

4 Dt l presenz di prti in conttto diretto il sistem spzzole-collettore è l prte più delict dell mchin. Nell figur seguente è rppresentto lo schem completo di un mcchin in corrente continu. 4

5 ircuito mgnetico di sttore Il numero di coppie polri viene definito con l letter p. Quindi un mcchin con un coppi polre vrà due poli, con due coppie polri quttro poli ecc. L sse neutro individu il pino che tgli longitudinlmente l mcchin e in cui si h induzione mgnetic null. iene dett psso polre τ l distnz ngolre tr i poli dell mcchin τ = p L ndmento dell induzione l trferro per le due mcchine è rppresentto nelle figure seguenti, dove si ssume di percorrerlo in senso orrio prtire dl punto O. Si consider positiv l induzione entrnte nel rotore, negtiv quell uscente. Si può osservre come, in corrispondenz delle espnsioni polri, l induzione mgnetic B si poss considerre costnte 5

6 Sistem spzzole collettore Per comprendere il funzionmento del motore è bene prtire dll forz di Lorentz. Un conduttore immerso in un cmpo mgnetico B, e percorso d un corrente I é sottoposto d un forz F = B l I dove B è l induzione mgnetic l è l lunghezz del conduttore I è l corrente Il verso dell forz di determin ttrverso l regol dell mno sinistr. se l posto del conduttore rettilineo si consider un spir, sui suoi lti opposti girnno due forze uguli ed opposte che drnno luogo d un coppi. 6

7 POBLEA Supponendo l corrente entrnte dl lto destro dell spir, e quindi uscente dl quello sinistro, sull spir in esempio girà un coppi di forze tle d frl ruotre in senso orrio. qundo l spir si trov 90, lle due forze F non corrisponde più lcun coppi in qunto giscono sull stess rett ( non c'è brccio). Al mssimo l spir continu ruotre per inerzi Se l spir super i 90 ddirittur si h un coppi che tende frl ruotre in direzione oppost. ( l forz gente sul singolo conduttore (F) è stt scompost in due direzioni: un tende "diltre" l spir (Fd) e l'ltr frl ruotre (Fr) 7

8 Soluzione: Anello di Pcinotti Anziché limentre le l spir in mnier sttic, cioè con l corrente che entr sempre con lo stesso verso su un lto dell spir. Pcinotti elbor un limentzione medinte un nello diviso in due metà, i cpi delle quli rriv l tensione di limentzione, e dei conttti striscinti collegti ll spir. i colori blu e rosso rppresentno uno stesso lto dell spir Anello onttto Striscinte ome si può notre nell spir disegnt destr dopo mezzo giro, sui suoi lti giscono forze tli d mntenere costnte l direzione di rotzione. In sintesi si può notre come dopo un rotzione di 180 l coppi gente sull spir si concorde con quell inizile quest bse si h l evoluzione del motore in corrente continu: Anziché un spir si usno degli vvolgimenti per ottenere coppie più elevte Gli vvolgimenti sono solidli con il rotore Si usno diversi vvolgimenti in modo d ottenere su ciscuno l coppi mssim e ottenere un coppi pressochè costnte sul rotore L limentzione viene fornit i conttti striscinti e non i seminelli Gli nelli vengono suddivisi in tnti settori (collettore) ognuno dei quli collegto d un cpo di un vvolgimento ollettore 8

9 oppi nel motore in Le due forze nel disegno precedente dnno luogo un coppi = F 2 r = B l I 2 r dove r è il rggio del rotore In definitiv si rriv ll espressione = Φ I dove : è un costnte che dipende di prmetri costruttivi dell mcchin (lunghezz, dimetro, numero di poli, tipo di vvolgimenti ed ltri) Φ è il flusso di eccitzione (costnte nei motori mgneti permnenti) I è l corrente di rmtur, ossi quell che percorre gli vvolgimenti di rotore Forz Elettromotrice indott Qundo il rotore è in movimento in conduttori sono sottoposti d un flusso mgnetico che vri nel tempo. In bse ll legge di Frdy-Neumnn-Lenz si gener i loro cpi un forz elettromotrice. on un serie di pssggi si può giungere ll seguente espressione che permette di determinre l tensione i cpi degli vvolgimenti di rotore : E = e Φ ω dove: e è nlog qunto detto precedentemente per, hnno ddirittur lo stesso vlore se si trscurno le perdite nel ferro Φ è il flusso di eccitzione (costnte nei motori mgneti permnenti) ω è l velocità ngolre del rotore 9

10 ircuito Equivlente del otore Nel circuito di destr è rppresentto il circuito equivlente del rotore di un motore in corrente continu. Il simbolo con l indic ppunto un motore in corrente continu, i due rettngoli simboleggino le spzzole. ome detto in precedenz i cpi dell vvolgimento di rotore, detto nche di rmtur, si gener un f.e.m. indott proporzionle ll velocità di rotzione del rotore stesso. L rppresent l resistenz ssocit gli vvolgimenti di rmtur mentre l L è l induttnz ssocit llo stesso vvolgimento (in generle h influenz solo qundo ci sono vrizioni di corrente nel circuito, d esempio ll vvio) Il circuito di sinistr rppresent il circuito di eccitzione, cioè quello che h il compito di produrre il flusso mgnetico necessrio l funzionmento del rotore. In questo cso si consider un motore con circuito di eccitzione indipendente. e ed Le rppresentno rispettivmente l resistenz e l induttnz degli vvolgimenti di sttore. Qundo il rotore viene limentto con un tensione viene percorso d un corrente I. Applicndo il 2 principio di irchhoff si ottiene: L espressione dell coppi (già vist): 10

11 mentre l equzione di equilibrio meccnico è l seguente : Accelerzione ngolre Dlle equzioni precedenti si può ricvre un modello mtemtico del motore utile per simulrne il comportmento. Utilizzndo solo le prime tre si può invece determinre l relzione tr l coppi prodott dl motore e l su velocità di rotzione. 11

12 12 rtteristic coppi velocità Ipotizzndo di essere regime, cioè con tutte le grndezze elettriche e meccniche costnti, le derivte delle equzioni 2) e 4) sono nulle Per determinre l relzione tr coppi e velocità si sostituisce l equzione 1) nell 2) e si ottiene: 1 ) I = ω ω = I Sostituendo l espressione dell corrente di rmtur così ricvt nell 3) si ottiene: = ω ω = 2 L relzione tr oppi e elocità è l equzione di un rett (y=mx+q dove y=, x=ω, m= 2 / e q= / ) Le intersezioni con gli ssi si ottengono con ω = 0 = = 0 = ω ω

13 Il punto di funzionmento del motore dipende dll rett di crico dt dll coppi resistente r ω * ω Si può notre come le intersezioni dell crtteristic coppi-velocità dipendno entrmbe d, quindi l vrire di quest ultim l rett trsli prllelmente se stess ω Si cpisce quindi come, prità di coppi resistente, si poss fr vrire l velocità di rotzione semplicemente gendo sull tensione di rmtur. ( ome ipotizzto in precedenz il flusso di eccitzione è costnte) r ω 1 ω 2 ω 3 ω 4 ω 13

14 dti di trg Potenz nominle P n è l potenz meccnic sviluppt dl motore in condizioni nominli orrente nominle I n è l corrente ssorbit dl motore in condizioni nominli Tensione nominle n è l tensione che si deve fornire l circuito di rmtur. elocità nominle n n è l velocità di rotzione del motore in condizioni di funzionmento nominli. Può essere espress in giri l minuto (rpm in inglese) oppure come velocità ngolre in rd/sec. Tr le due sussistono le seguenti relzioni: 2π 60 ω = n n = ω 60 2π dove n indic i giri l minuto e ω l velocità ngolre. endimento nominle η n È il rendimento del motore in condizioni di funzionmento nominle. In funzione di questo è possibile clcolre l potenz elettric ssorbit nominle P n Pn = η n tipo di collegmento del circuito di eccitzione (indipendente, in serie, in derivzione) lsse di isolmento Grdo di protezione (contro l penetrzione di solidi e liquidi) Tipo di servizio 14