Capitolo 10 Macchine elettriche speciali

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1 Capitolo 10 Macchine elettriche speciali Sezione 10.1: Motori DC senza spazzole Problema 10.1 Macchina sincrona bifase a sei poli a magnete permanente. L ampiezza della tensione di fase a circuito aperto misurata quando il rotore gira a Sappiamo che Flusso concatenato Tensione generata Problema 10.2 Motore sincrona bifase a quattro poli. una delle fasi è 50V. Trovare: La tensione a circuito aperto cu a) b) La velocità del rotore a vuoto, quando la sorgente meccanica è rimossa e nessuna

2 Sappiamo che a) b) Tensioni simmetriche in avvolgimenti simmetrici producono un campo rotazionale con frequenza f s. Sia Quindi la velocità del rotore è Problema 10.3 Massima velocità: Trovare: T2. Il motore percorre 0.5 m in 100 giri La massima velocità rotazionale del motore è: Usando l espressione derivata nell esempio 10.2, sappiamo che la massima velocità rotazionale è: E possiamo calcolare T2 come Quindi il profilo trapezoidale è stato accorciato di 2/3s. Problema 10.4 Profilo di carico desiderato (Figura P10.4). Il motore copre 0.5 m (100 giri) in 3 s. Trovare: Massima velocità del motore, tempi di accelerazione e decelerazione.

3 Assumi il profilo di velocità triangolare. Per semplificare l analisi, scegli il profilo di velocità simmetrico; quindi, il motore accelera per 1.5s e decelera per 1.5s o T1 = T2 = 1.5 s. Usando i risultati dell Esempio 10.2, se noi imponiamo la parte piatta a zero, possiamo scrivere un espressione per la corsa totale del motore: e calcolare la massima velocità come: che corrisponde a: Sezione 10.2: Motori passo-passo Problema 10.5 Motore a riluttanza variabile dell es Progetta un circuito logico per ottenere la sequenza di passi mostrata in tabe Consiglio. Usa un contatore e porte logiche. Ci sono 8 possibili configurazioni per il motore. Quindi, si sceglie un contatore binario a 3 bit che pulsa ogni 45. La tabella in basso individua la logica corrispondente per il contatore binario.

4 Poi, converti la tabella di verità in espressione logica per ciascuna delle uscite: Da queste 4 espressioni si può realizzare un diagramma logico circuitale per ciascuna uscita, al fine di ottenere la risposta desiderata.

5 Problema 10.6 Motore passo-passo a magnete permanete a 6 poli, sorgente bipolare. Minimo passo possibile ottenibile. In riferimento all es. 10.3, vediamo che la sequenza a mezzo-passo per il motore bifase a 4 poli porta a passi di 45. L aggiunta di 2 poli ridurrà il passo del 50%, risultando in passi di 30. Problema 10.7 Equazione dinamica per un motore passo-passo collegato ad un carico. L equazione sarà la seguente forma: Problema 10.8 Motore ibrido passo-passo con passi da 18. Trovare: Trovare la configurazione rotore-statore del motore. La configurazione statore-rotore è mostrata sotto:

6 Il motore ha 5 denti di rotore e 4 di statore (2 fasi) Problema 10.9 Mostrate nel box controlla se hai capito di pag motore ibrido passo-passo con passi da 18. Trovare: Un contatore binario e porte logiche per implementare la sequenza binaria del motore passo-passo. nessuna Problema Un motore passo-.passo a magnete permanente ha 50 denti sul rotore. Quando viene mosso a la tensione picco-piccoa circuito aperto misurata è 25V. Trovare: a) Calcolare b) Calcolare la resistenza di avvolgimento quando La resistenza di avvolgimento è a) sappiamo che:

7 b) la resistenza di avvolgimento sia Dove Quindi Problema Il diagramma schematico di un motore passo-passoa 2 poli, 4 fasi è mostrato in figura Gli avvolgimenti di fase sono eccitati in sequenza per mezzo di un circuito logico. Trovare: La tensione a vuoto del generatore e la tensione terminale a metà carico. a) La sequenza logica per un passo completo del motore. b) L angolo di spostamento di un passo completo. a) Per una rotazione completa in senso orario: b) L angolo di spostamento per una rotazione completa è 90

8 L angolo di spostamento per una rotazione completa è 90. Problema Un motore a magnete permanente passo-passo compie un angolo a passo pieno di 15. Trovare: Il numero di poli di statore e rotore. Il motore richiede 24 denti di statore e 2 di rotore. Problema Uno schema di driver a ponte per un motore passo-passo bifase è mostrato in Fig Trovare: La sequenza di eccitazione del funzionamento del ponte Dove 1 indica switch chiuso.

9 Problema Un motore a magnete permanente passo-passo compie un angolo a passo pieno di 15. È usato per ruotare una vite-madre di pollici. Trovare: a) La risoluzione del motore in passi//giro. b) La distanza che la vite-madre percorre per ciascun passo di 15 del motore. c) Il numero di passi completi da 15 necessari per muovere la vite madre e l albero del motore attraverso 17.5 giri Sezione 10.4: Motori AC monofase Problema I dati del motore sono i seguenti: Se i seguenti motori sono a cavalla-potenza integrali o frazionali.

10 a) La potenza è Integrale b) La potenza è Frazionale c) La potenza è Frazionale d) La potenza è Frazionale Problema Espressione per e verificare che per un avvolgimento monofase entrambe le componenti in avanti e all indietro sono presenti. La f.m.m F1 può essere espressa come: Dove è la fmm in senso orario è un contatore di fmm magnetica in senso orario

11 Problema Un motore a induzione monofase di potenza di 0.9. funziona con un efficienza di 0.86 e fattore Il condensatore che dovrebbe essere messo in parallelo al motore cosicché l alimentatore funzioni a fattore di potenza unitario. Abbiamo: da Quindi Per avere un fattore di potenza unitario da abbiamo: Problema Un motore a induzione monofase a 2 poli funziona col 3% di scorrimento. Lo scorrimento nella direzione opposta di rotazione. Trovare la velocità del motore nella direzione normale di rotazione. Per una macchina a 2 poli la velocità di sincronismo è eccitazione di 50 Hz. Da per una frequenza di

12 , lo scorrimento in direzione opposta di rotazione è 0.97, la velocità del motore è. Problema Un motore passo-passo con un angolo di passo di 15 funziona in modo i eccitazione monofase. Il tempo necessario per ruotare di 28 giri quando il tasso di impulsi al secondo è 180. Problema Motore da con avviamento a condensatore a 4 poli ha i seguenti parametri: a) la corrente di statore; b) La potenza meccanica; La velocità del rotore a)

13 b) c) per una macchina a 4 poli Quindi la velocità del motore è: Problema Motore da con avviamento a condensatore a 4 poli ha i seguenti parametri: La potenza meccanica in uscita. Problema Motore da con avviamento a condensatore a 4 poli ha i seguenti parametri:

14 La corrente di ingresso e la potenza sviluppata quando il motore ruota a La velocità di sincronismo è per quindi lo scorrimento è Abbiamo: La coppia sviluppata è: Problema Test a vuoto di un motore a induzione monofase a frequenza e tensione nominali. Il circuito equivalente di un motore a induzione monofase per il test a vuoto. A vuoto, s=0. Il modello del circuito è mostrato sotto.

15 Problema Test a rotore bloccato del motore a induzione monofase. Circuito equivalente. Trascura la corrente magnetizzante. Per un motore a rotore bloccato, Il circuito è mostrato sotto: Problema Un motore universale a 2 poli ha una resistenza effettiva dell armatura e dell eccitazione serie di e La coppia di uscita è quando il motore assorbe una corrente nominale di 1.5 A con un fattore di potenza di 0.88 alla velocità nominale. a) l efficienza a pieno carico; b) la velocità nominale; c) le perdite nel rame a pieno carico; d) le perdite complessive sugli avvolgimenti, di attrito e nel ferro.

16 e) la velocità del motore quando la corrente in valore efficace è 0.5A. Differenze di fase e saturazione Da abbiamo e La velocità nominale è a) e l efficienza è b) la velocità è c) perdite nel rame d) altre perdite e) Assumi T proporzionale a. Problema Un motore universale a 2 poli funziona a a pieno carico ed eroga una corrente di 5.6A con un fattore di potenza di L impedenza dell avvolgimento di campo in serie è è l impedenza del circuito di armatura è. a) la fcem del motore; b) la potenza meccanica sviluppata dal motore; c) la potenza in uscita se le perdite per rotazione sono 65 W; d) l efficienza del motore

17 Da Problema Un motore monofase assorbe 20A da una sorgente da ritardo.. Il fattore di potenza è 0.8 in Il valore del condensatore connesso al circuito per portare il fattore di potenza all unità... Quindi Per fattore di Potenza unitario: Abbiamo Quindi Problema Un modo di funzionamento di un motore a induzione trifase con una sorgente monofase motore monofase è mostrato in Fig

18 Se il motore funziona e spiegarne il motivo. Funzionerà. Gli avvolgimenti b e c producono un campo magnetico simile ad una macchina monofase, cioè 2 componenti rotanti in direzioni opposte, e l avvolgimento a si comporterà come avvolgimento di avviamento. Lo sfasamento prodotto dal condensatore è necessario a fornire una coppa di avvio nonnulla. Problema Un motore con avviamento a condensatore da con uscita al valore nominale. a) Efficienza; b) Fattore di potenza; c) Coppia.

19 Sezione 10.5: Selezione e uso di un motore Problema Gli obiettivi sono i seguenti: a) Aspirapolvere; b) Congelatore; c) Compressore di un condizionatore; d) Ventola di un condizionatore; e) Macchina da cucire a velocità variabile; f) Orologio; g) Trapano elettrico; h) Mangianastri; i) Plotter Tipo di motore più idoneo La velocità del motore universale è facilmente controllata e quindi esso sarebbe usato per velocità variabile, (e) e (g). L aspirapolvere ha spesso motori universali. Questo motore potrebbe anche essere usato per le ventole. Un motore monofase ad induzione è usato per (b) e (c). L orologio come il mangianastri dovrebbe usare un motore sincrono monofase. Il plotter un motore passo-passo. Problema Motore shunt. Il controllo di velocità con resistore di campo a presa intermedia è mostrato in Fig La velocità del motore e la coppia disponibile al massimo carico permesso con una presa alla posizione 3.. Problema a) Orologio elettrico analogico di basso costo b) Ventola da bagno c) Montacarichi che deve partire in tutte le condizioni di carico d) Miscelatore da cucina e) Sega circolare da banco funzionante a circa 3500 giri/min

20 f) Sega circolare portatile funzionante a circa giri/min g) Pompa per l acqua Motore monofase utile per i precedenti casi. a) A riluttanza b) A polo schermato c) Avviamento a condensatore d) Universale e) A condensatore con sfasamento permanente f) Universale g) A condensatore con sfasamento permanente Reluctance b) shaded-pole c) capacitor-start d) universal e) permanent split capacitor f) universal g) permanent split capacitor Problema La potenza richiesta per far ruotare una ventola varia col cubo della velocità. Il motore collegato alla ventola montata sull albero è caricato al 100% della sua potenza nominale alla connessione a massima velocità. La potenza in uscita in percentuale rispetto alla nominale alle seguenti riduzioni di velocità a) 20% b) 30% c) 50%

21 Problema Un impianto industriale ha un carico di 800 kw con un fattore di potenza di 0.8 in ritardo. Un motore sincrono è usato per cambiarli a 200kW e La potenza apparente nominale e il fattore di potenza al quale il motore funziona. Il motore ha un efficienza del 91% Problema una macchina elettrica è controllata affinché le sue caratteristiche coppia-velocità mostrino una regione a coppia costante e una regione a potenza costante come mostrato in Fig Efficienza media del drive elettrico 87%. Coppia della macchina costante a 150Nm da 0 a 2500 giri/min. La regione a potenza costante è da 2500 a 6000 giri/min. la macchina aziona un carico a coppia costante che richiede 75Nm. a) velocità di funzionamento della macchina b) potenza elettrica necessaria al funzionamento della macchina nessuna

22 a) poiché il carico richiede meno della coppia allo spunto, il motore dovrebbe funzionare nella regione a potenza costante. La potenza costante è determinata dalla coppi allo spunto e dalla velocità: La velocità di funzionamento è determinate dalla coppia di carico: b) Potenza elettrica necessaria alla macchina per funzionare Problema Motore sincrono a magnete permanente (senza spazzole DC) di fig Parametri del sub-sistema elettrico: RS, LS, k. (costante del motore), VS(t), IS(t). Parametri del sub-sistema meccanico: inerzia e coefficiente di smorzamento, J,b. Parametri del sub-sistema termico: resistenza termica, calore specifico, massa, Rt, c, m. Scrivere le eq. Differenziali che descrivono le dinamiche elettro-termo-meccaniche dei sistemi. Tutto il calore è generato nello statore dalla corrente di statore (cioè calore generato nel rotore trascurabile) Rotore e statore sono alla stessa temperatura e hanno uguale calore specifico c. Lo statore ha un elevata conduttività termica. Il termine di trasferimento di calore dominante è la convezione. Tutta la resistenza termica R t dallo statore all aria. Il motore genera una coppia in accordo all equazione La contro fem è uguale a Sub sistema meccanico Sub sistema elettrico Sub sistema termico

23 Problema Motore avvolto con eccitazione separata di fig Parametri del sub-sistema elettrico: Rf, Lf, Ra, La, (parametri elettrici di armatura e di campo del motore), ), kf. ka, kt (costanti di armatura e di campo del motore), VS(t), Vf(t), Ia(t), If(t). Parametri del sub-sistema meccanico: inerzia di carico, coefficiente di smorzamento e coppia di carico, J, b, TL. Parametri del sub-sistema termico: Ct-rotor, ht-rotor, Arotor (capacità termica del rotore, coefficiente del trasferimento di calore dalla superficie del rotore all aria e dall aria alla superficie interna dello statore, supposte uguali).ct-stator, ht-stator, Astator(capacità termica del rotore, coefficiente del trasferimento di calore dalla superficie esterna dello statore all aria, area della superficie esterna di statore). Scrivere le equazioni differenziali che descrivono le dinamiche elettro-termo-meccaniche dei sistemi. Il calore è generato nello statore e nel rotore dalle rispettive correnti. Statore e rotore hanno un elevata conduttività termica. Il termine di trasferimento di calore dominante è la convezione attraverso lo spessore di aria verso l ambiente. Il calore presente nello spessore di aria è trascurabile e tale spessore è infinitamente sottile. Il motore genera una coppia in accordo all equazione La contro fem è uguale a Sia lo statore che il rotore si comportano come una massa termica concentrata. Sub sistema meccanico Sub sistema elettrico Circuito di armatura Circuito di campo Sub sistema termico Rotore

24 Statore