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SEMINARIO CEI mcter Energy Storage Energy Storage e Efficienza Energetica NUOVE TECNOLOGIE PER IL MIGLIORAMENTO DELL'EFFICIENZA ENERGETICA NELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI Lucia Frosini Università di Pavia San Donato Milanese (MI) 28 Giugno 2018 ore 10.30 Crowne Plaza Hotel Via K. Adenauer 3, San Donato Milanese (MI) Riproduzione riservata COMITATO ELETTROTECNICO ITALIANO 1
Introduzione L energiaelettricaèunbeneprezioso,inqualunquemodosiastataprodotta e/o accumulata. È quindi opportuno utilizzarla con il miglior rendimento possibile, scegliendo il motore più adatto e più efficiente per la specifica applicazione. È noto che il costo iniziale di un motore impiegato in servizio continuo è irrisorio rispetto al costo dell energia che consumerà durante la sua vita operativa (> 20 anni): Ore operative/anno 2000 h 4000 h 6000 h Costo acquisto 3,8% 1,9% 1,3% Costo manutenzione 1,0% 1,0% 1,0% Costo energia 95,2% 97,1% 97,7% Per questi motivi, il ROI di un motore ad alto rendimento è generalmente inferiore a 2 anni, rispetto all acquisto di un motore standard. 2
Norme IEC e CEI EN Per uniformare i sistemi di classificazione del rendimento dei motori elettrici, la norma IEC 60034-30:2008, recepita a livello europeo nel 2009 e a livello italiano con la CEI EN 60034-30:2011 Classi di rendimento dei motori asincroni trifase con rotore a gabbia ad una sola velocità, ha definito nuove classi di rendimento (IE, International efficiency) per i motori asincroni trifase, a 50-60 Hz, rotore a gabbia, una sola velocità, con le seguenti caratteristiche: tensione nominale fino a 1000 V; 2, 4 o 6 poli; potenza nominale compresa tra 0,75 kw e 375 kw; targati per servizio S1 (servizio continuo) o S3 (intermittente periodico) con un rapporto di intermittenza nominale uguale o superiore all 80%; in grado di funzionare collegati direttamente alla linea di alimentazione. Tali norme sono state poi aggiornate rispettivamente con la IEC 60034-30- 1:2014 e con la CEI EN 60034-30-1:2015. 3
Norma IEC e Regolamento 640/2009 Sono esclusi dall applicazione della IEC 60034-30: motori realizzati solo per funzionamento con convertitore; motori realizzati per breve tempo di funzionamento (servizio S2) o per operazioni di commutazione (servizio da S3 con rapporto di intermittenza nominale < 80% a S10); motori completamente integrati in una macchina (es. pompe, ventilatori, compressori) che non possono essere provati separatamente dalla macchina. Per le macchine a velocità variabile, è uscita la IEC TS 60034-30-2:2016 Rotating electrical machines: Efficiency classes of variable speed AC motors. Ma la norma IEC 60034-30 non è obbligatoria. Lo è invece il Regolamento 640/2009 (Direttiva UE sui motori elettrici), che stabilisce i requisiti minimi di rendimento da rispettare per legge: il suo campo di applicazione è molto simile, ma più limitato, rispetto alla IEC 60034-30. 4
Norma IEC e Regolamento 640/2009 5
Classi di rendimento Le classi di rendimento definite dalla prima versione della norma IEC e dalla Direttiva UE sono tre: IE1 Efficienza standard IE2 Alta efficienza IE3 Efficienza premium 6
Classi di rendimento La nuova norma IEC 60034-30-1:2014 introduce con valore legislativo la classe IE4 (Efficienza super premium) e amplia la gamma dei motori, includendoanchemotorimonofaseeamagnetiavviabilidarete.èprevista l introduzione di un livello IE5 (Efficienza ultra premium) in una prossima edizione. Vieneinoltreesteso il range di potenza tra 0,12 kw e 1000 kw e il numero di poli fino a 8. Rimangono esclusi i motori a più velocità. 7
L. Frosini Obblighi di legge Per il momento l obbligo è che i motori commercializzati in Europa, con potenza tra 0,75 e 375 kw e aventi le caratteristiche precedentemente definite devono avere efficienza IE3. In alternativa, efficienza IE2 se alimentati da inverter. Ma si prevedono ulteriori restrizioni in futuro. Questo range di potenze è quello maggiormente diffuso in ambito industriale, e non solo, nelle più svariate applicazioni. Quali sono le alternative a disposizione di costruttori e utilizzatori? nuove tecnologie per motori asincroni ad alto rendimento motori brushless motori a riluttanza variabile 8
taglia residenziale agricoltura trasporti commerciale industriale Gas, acqua Micro < 0,12 kw Computer, giocattoli, piccoli elettrodomestici Ausiliari nelle autovetture (parabrezza, finestrini, ecc.) Attrezzature da ufficio (fotocopiatrici, ecc.) Piccoli 0,12 0,75 kw Elettrodomestici (lavatrici, frigoriferi) Pompe irrigazione per piccoli campi Ausiliari nelle autovetture (HVAC, starter) Attrezzature da ufficio Utensili elettrici, piccole pompe e ventilatori Medi 0,75 375 kw HVAC, pompe acqua, elettrodomestici Pompe irrigazione per grandi campi Trazione elettrica (automobili) HVAC, pompe acqua per grandi edifici Ventilatori, pompe, compressori, nastri trasportatori, macchine di processo Grandi > 375 kw Trazione elettrica (treni) Ventilatori, pompe, compressori, macchine di processo Pompe acqua, pompe liquami, compressori gas 9
Riduzione perdite e miglioramento rendimento Osserviamo come un miglioramento relativamente piccolo nella percentuale di rendimento è equivalente ad una sostanziale riduzione delle perdite: Classe efficienza Perdite (W) Riduzione perdite (%) Rendimento (%) IE1 4073 91,7% IE2 3335 18% 93,1% IE3 2771 32% 94,2% IE4 2170 47% 95,4% In tabella è riportato un esempio relativo ad un motore da 45 kw, 4 poli, 50 Hz. 10
Migliorare il rendimento significa ridurre le perdite, ma non tutte le perdite pesano allo stesso modo sul rendimento di un motore asincrono e il loro peso varia a seconda della taglia del motore. Per questi motivi, le tecnologie che sono risultate più vantaggiose per raggiungere i livelli minimi di rendimento richiesti dalle nuove norme sono: Come migliorare il rendimento degli asincroni a) rotore a barre saldate in rame, anziché rotore pressofuso in alluminio, per potenze tra 150 e 375 kw circa; b) rotore pressofuso in rame, anziché rotore pressofuso in alluminio, per potenze di qualche decina di kw; c) ottimizzazione del design della cava di rotore (per rotore pressofuso); d) utilizzo di lamierini a basse perdite; e) allungamento del nucleo statorico e rotorico. 11
a) Barre saldate in rame vs. pressofuse in alluminio Nel range 150-375 kw, il rotore a barre saldate permette di ottenere un maggior rendimento, sebbene ad un maggior costo, non solo per i materiali ma anche per la difficoltà e i tempi di lavorazione. Il rotore pressofuso in alluminio rimane la miglior scelta in caso di: applicazioni in cui si richiede una rapida risposta a variazioni di velocità; velocità > 3500 rpm, per le forze centrifughe che agiscono sulle barre. 12
L. Frosini a) Barre saldate in rame vs. pressofuse in alluminio All aumentare della potenza, l aumento del costo del rotore a barre saldate in rame diminuisce rispetto al rotore pressofuso in alluminio: aumentando le dimensioni dello stampo del rotore pressofuso, aumenta il suo costo. % 30 25 20 15 10 5 0 150 500 900 1250 kw Inoltre, il rotore a barre saldate in rame produce minori perdite per effetto Joule e quindi consente di ridurre della lunghezza del nucleo, a parità di altre condizioni. Per motori di elevata potenza (> 500 kw) e/o elevato numero di poli (> 10), il rotore pressofuso in alluminio non viene nemmeno preso in considerazione a causa della non disponibilità di uno stampo di tali dimensioni. 13
L. Frosini b) Rotore pressofuso in rame vs. in alluminio Fino a pochissimi anni fa, il rame era raramente impiegato per la costruzione dei rotori pressofusi. Alla base della scarsa diffusione di questa tecnica vi è principalmente il fatto che il rame fonde a una temperatura decisamente superiore rispetto all alluminio (1083 C vs. 658 C), quindi la pressofusione del rame risulta più costosa energeticamente e più complessa, col rischio di ottenere scarso riempimento delle cave di rotore, formazione di porosità da gas, formazione di cavità da ritiro: 14
b) Rotore pressofuso in rame vs. in alluminio Con l introduzione dei nuovi livelli di efficienza, resi obbligatori dalla Direttiva UE, le tecniche di pressofusione dei rotori in rame si sono diffuse su larga scala e sono diventate competitive per motori asincroni di piccola-media taglia. Nuove soluzioni tecnologiche: leghe di Nichel per migliorare la resistenza dello stampo; utilizzo di software che simulano il processo di riempimento dello stampo; isolamento del pacco di lamierini, preriscaldamento dello stampo e raffreddamento immediato. 15
b) Rotore pressofuso in rame Rispetto all alluminio, il rame nelle barre di rotore porta a: s 2 Cmax X dtot Riduzione delle perdite ohmiche di rotore, perché si riduce la resistenza di rotore; Conseguente riduzione delle perdite ohmiche di statore, perché si riduce la corrente di rotore e quindi anche quella richiamata dallo statore. Si ha inoltre una riduzione dello scorrimento a carico nominale (e quindi della frequenza delle correnti di rotore sf), che può portare alla riduzione delle perdite nel ferro e delle perdite addizionali. Tuttavia, l impatto che il ridotto scorrimento può avere su queste perdite non è scontato e deve essere valutato caso per caso: ad es., occorre tener conto del fatto che i rotori pressofusi in rame presentano una minore resistenza tra barre, il che può portare a maggiori perdite nel ferro e addizionali. In generale, passando da un rotore in alluminio a un rotore in rame, a parità di tutto il resto, si può migliorare il rendimento al massimo del 3% (per piccoli motori). R' 16
c) Ottimizzazione del design della cava di rotore L ottimizzazione del design risiede principalmente nel progettare la forma della cava di rotore più adatta al materiale conduttore impiegato. Infatti, passando da un rotore in alluminio ad un rotore in rame, mantenendo stessa forma e stessa dimensione della cava, si riduce la resistenza di rotore e, di conseguenza, si ha una maggiore corrente all avviamento e una ridotta coppia all avviamento: queste ultime sono da considerarsi condizioni svantaggiose. Pertanto, se ad es. il rotore originale in alluminio aveva cave del tipo a gabbia singola, si possono ottenere miglioramenti, in termini di minore corrente all avviamento e maggiore coppia alluminio all avviamento, adottando per il rotore in rame la doppia gabbia: rame 17
b) c) Rotore in rame e ottimizzazione della cava Motore asincrono trifase: o Potenza nominale P n = 7,5 kw o Tensione nominale V n = 400 V o Frequenza nominale f = 50 Hz o 4 poli, collegamento a stella. Svantaggio del rotore in rame a doppia gabbia: riduzione della coppia massima, dovuta alla aumentata reattanza di dispersione a carico nominale. 18
b) c) Rotore in rame e ottimizzazione della cava CASI Coppia allo spunto [Nm] Corrente allo spunto [A] Perdite ohmiche statore [W] Perdite ohmiche rotore [W] Perdite nel ferro complessive [W] Perdite addizionali [W] Perdite per attrito e ventilazione [W] Rendimento [%] Rotore in alluminio Rotore in rame 65,53 52,82 568,7 138,8 88,87 69,2 35,5 88,6 61,77 54,6 538,5 76,39 88,83 69,2 35,5 89,2 IE1 IE2 Rotore in rame a doppia gabbia 82,26 42,1 380,2 117,7 89,4 69,2 35,5 90,7 IE3 Risultati ottenuti con simulazioni in FLUX, le perdite addizionali e per attrito e ventilazione sono state mantenute costanti (C. Brenna, "Valutazione tecnica delle moderne metodologie costruttive dei motori asincroni per il raggiungimento delle nuove classi di rendimento IE", tesi di laurea magistrale in Ingegneria Elettrica, Università di Pavia, a.a. 2013/14). 19
d) Lamierini a basse perdite Per i motori asincroni di media potenza, prima dell entrata in vigore della Direttiva UE, veniva generalmente utilizzato il lamierino M600-50A, avente spessore 0,5 mm e cifra di perdita 6 W/kg a 50 Hz e 1,5 T. Un metodo semplice per aumentare il rendimento dei motori è stato utilizzare il lamierino M400-50A, avente stesso spessore ma perdite inferiori (4 W/kg). Volendo ridurre ancora di più le perdite, si può usare ad esempio il M250-35A, con spessore 0,35 mm e perdite 2,5 W/kg. Ulteriori riduzioni delle perdite specifiche si possono ottenere con lamierini più sottili e fabbricati tramite taglio laser anziché per punzonatura, che si prestano per applicazioni ad alta frequenza, per evitare l eccessivo aumento delle perdite nel nucleo. Le stesse soluzioni si possono impiegare per aumentare il rendimento anche di motori brushless e a riluttanza variabile. Ovviamente i lamierini a basse perdite sono più costosi di quelli standard. 20
L allungamento del nucleo permette di aumentare la superficie attraversata dal flusso per polo e di conseguenza diminuire il valore dell induzione, mantenendo invariata l altezza d asse del motore (e quindi il suo diametro). Per mantenere invariati anche il numero di poli, la tensione di alimentazione e la coppia nominale, è possibile modificare soltanto pochi altri parametri, tra cui il numero di conduttori per fase di statore. Si può dimostrare che un aumento della lunghezza del nucleo di statore e di rotore produce una limitata riduzione dell induzione al traferro B e una più consistente riduzione del numero di conduttori per fase di statore N 1. e) Allungamento del nucleo 21
e) Allungamento del nucleo Poiché il volume di ferro aumenta, spesso si ottiene che, contrariamente alle aspettative, le perdite nel ferro non diminuiscono, anzi, aumentano leggermente. Questo è dovuto al fatto che le perdite nel ferro non dipendono solo dal valore dell induzione (che è calato leggermente), ma anche dal volume del ferro, che invece aumenta maggiormente. Al contrario, diminuiscono le perdite per effetto Joule sia di statore sia di rotore, in quanto: diminuisce il numero di conduttori N 1 di statore e aumenta la loro sezione (perché c è più spazio libero in cava) e quindi diminuisce complessivamente la resistenza dell avvolgimento di statore; diminuisce la densità di corrente di rotore J 2. Questa conclusione non è generalizzabile in assoluto, ma è verosimile per la maggior parte dei motori asincroni industriali. 22
e) Allungamento del nucleo M curve: original motor; L curve: prototype (lines: simulations; dots: measurements) Il motore analizzato ha potenza nominale 11 kw, tensione 400 V, 4 poli, frequenza 50 Hz. L. Alberti, N. Bianchi, A. Boglietti, A. Cavagnino, "Core axial lengthening as effective solution to improve the induction motor efficiency classes", IEEE Trans. Industry Applications, Vol. 50, No. 1, 2014. 23
L. Frosini Come migliorare il rendimento Ulteriori metodi per migliorare il rendimento: Perdite negli avvolgimenti: si possono ridurre aumentando la sezione degli avvolgimenti (oltre che di statore) anche di rotore (e quindi anche degli anelli di corto circuito), modificando il numero di cave di rotore e la loro sezione. Risultati simili a quelli ottenuti con l allungamento del nucleo si possono ottenere aumentando i diametri dei lamierini di statore e rotore, modificando però l altezza d asse del motore. Perdite per attrito e ventilazione: si possono ridurre con una ventola più piccola o con maggiore efficienza e con cuscinetti a rendimento maggiore (minore attrito). Togliendo le alettature sugli anelli di cortocircuito si riducono le perdite per attrito e ventilazione, ma possono peggiorare le condizioni termiche, quindi questa scelta potrebbe essere controproducente. 24
Come migliorare il rendimento Quindi, un motore a rendimento maggiore: è più costoso; può richiedere una quantità maggiore di materiali (ferro, rame, alluminio) e presentare di conseguenza un volume maggiore. Barre e anelli con sezione maggiore e/o resistività minore (Cu vs. Al) riducono la resistenza di rotore Cuscinetti ad attrito ridotto Conduttori di statore con sezione maggiore riducono la resistenza di statore Un diverso design delle cave di statore aiuta a diminuire le perdite nel ferro e fa spazio a conduttori di diametro maggiore Un design efficiente della ventola di raffreddamento migliora il flusso d aria e riduce la potenza per muovere la ventola Statori più lunghi riducono l induzione; lamierini a perdite ridotte riducono le perdite per isteresi; lamierini più sottili riducono le perdite per correnti parassite 25
Come migliorare l efficienza complessiva Tuttoquestovaleseilmotoreèavelocitàfissaesenonènecessario variarne la velocità per migliorare l efficienza complessiva del sistema. Se, al contrario, il motore necessita di un convertitore di potenza per il suo funzionamento, la massima efficienza complessiva del sistema può essere raggiunta con motori brushless o a riluttanza variabile, anziché asincroni. 26
Motore brushless Il motore brushless, noto anche come motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è una macchina sincrona a commutazione elettronica con magneti permanenti sul rotore. La differenza principale che li distingue rispetto ai motori sincroni tradizionali è che il flusso di eccitazione è generato da magneti disposti sul rotore. Vantaggi: immediata disponibilità di coppia; materiali magnetici ad alta densità di flusso, come leghe neodimio-ferroboro (NdFeB) o altre terre rare, permettono di costruire, a parità di coppia disponibile all albero, motori leggeri, compatti e con basso momento di inerzia rotorico; assenza di perdite per effetto Joule sul rotore, mapresenzadiperditeper correnti parassite nei magneti (comunque molto inferiori a quelle per effetto Joule negli asincroni). 27
Motore brushless L immediata disponibilità di coppia e la ridotta inerzia rotorica permettono di conseguire elevate prestazioni dinamiche. Rispetto ai motori asincroni presentano i seguenti vantaggi: dimensioni più piccole a parità di potenza; più elevate prestazioni dinamiche; non necessitano di ulteriori dispositivi di avviamento (ma sono dotati di inverter); rendimenti mediamente più alti di quelli dei motori asincroni di analoga taglia; per potenze elevate (centinaia di kw) si può arrivare a rendimenti del 98%. Il problema principale dei motori brushless è la presenza di componenti armoniche di coppia, dovute al cogging e all alimentazione di corrente non perfettamente sinusoidale, e i maggiori costi. 28
Motore brushless I motori brushless si distinguono in: isotropi o Superficial Permanent Magnet (S.P.M.) anisotropi o Interior Permanent Magnet (I.P.M.) magneti inseriti magneti annegati. presentano anche una coppia di riluttanza Trapezi (DC brushless) Isotropi (S.P.M.) Motori a MP Sinusoidali Isotropi (S.P.M.) Anisotropi (I.P.M.) Magneti inseriti Magneti annegati 29
Motore brushless a magneti superficiali Motori brushless a magneti superficiali: relativamente semplici da realizzare, con ridotti costi di produzione; riluttanza magnetica costante al traferro; l induzione al traferro risulta solitamente più elevata e quindi maggiore è la tensione indotta, perciò sono preferibili per ottenere maggiore potenza erogata come generatore adatti per generatori eolici (lenti); per il funzionamento alle velocità più elevate è necessario dimensionare un sistema di ritenuta dei magneti (bandaggio, anelli, ecc.) che va ad aumentare il traferro magnetico; presentano, in generale, meno ripple di coppia rispetto ai motori con magneti interni. 30
Motore brushless a magneti interni Motori brushless a magneti interni: meccanicamente molto robusti, magneti meno soggetti a smagnetizzazione; caratterizzati da induttanze più elevate (perché il traferro è più sottile) e diverse lungo gli assi d e q (L d < L q ); la minore coppia di allineamento è compensata dalla presenza delle coppia di riluttanza (praticamente assente nei motori con magneti superficiali); preferiti per raggiungere coppia e potenza rese maggiori anche a velocità elevate (elettromandrini ed automobili ibride), perché richiedono meno energia per il deflussaggio (ampio range di funzionamento a potenza costante). Possibilità di lavorare in un range di velocità molto ampio con efficienza massima; i magneti interni sono meno soggetti alla formazione di correnti parassite, causate dalla variazione di induzione innescata dalle armoniche spaziali della f.m.m., dalle armoniche di corrente dovute all alimentazione, dal passaggio sotto le cave alle velocità più elevate. 31
Motore brushless ad avvolgimenti concentrati Sono generalmente utilizzati per ottenere un elevato numero di poli, ossia un elevata coppia. PRO dimensioni minori a parità di potenza risparmio di materiale e costi contenuti perdite per effetto Joule minimizzate basso ripple di coppia e vibrazioni ridotte (alle basse velocità) perdite nel ferro contenute (alle basse velocità) resistenza ai guasti CONTRO presenza di armoniche nel traferro maggiori perdite nel ferro e nei magneti ripple di coppia potenzialmente elevato alle alte velocità riduzione dell efficienza necessità di apportare modifiche e soluzioni per ridurre le perdite (alle alte velocità) 32
Motori a riluttanza variabile Il funzionamento del motore a riluttanza variabile (variable reluctance motor) si basa sul principio per cui un armatura mobile di un sistema elettromagnetico tende a muoversi verso la posizione in cui l induttanza dell avvolgimento in cui scorre la corrente è massima, ossia la riluttanza del percorso del flusso magnetico da esso prodotto è minima. 33
Motori a riluttanza variabile Esistono diversi tipi di motori basati su questo principio, ma quelli di maggiore interesse a livello industriale sono i seguenti: 1) motore a riluttanza commutata (switched reluctance motor, SRM); 2) motore sincrono a riluttanza (synchronous reluctance motor, SynRM); 3) motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti (permanent magnet assisted synchronous reluctance motor, PMaSynRM). Caratteristiche comuni dei motori a riluttanza variabile sono: solo lo statore è dotato di avvolgimenti, mentre il rotore non lo è; almeno il rotore è anisotropo. Tuttavia, la forma costruttiva sia di statore sia di rotore si differenzia a seconda del tipo di motore. 34
Motore a riluttanza commutata (SRM) Il motore a riluttanza commutata (SRM) è, in linea di principio, una delle più semplici macchine elettriche: esso presenta una doppia anisotropia, ossia poli salienti, sia sul rotore che sullo statore. Gli avvolgimenti di statore sono di tipo concentrato, avvolti su ciascun polo. Lo statore ed il rotore sono costituiti da pacchi di lamierini che presentano un numero di poli salienti diverso sulla loro periferia affacciata al traferro. Le configurazioni più comuni sono quella 6/4 (6 poli statorici e 4 poli rotorici) e quella 8/6 (8 poli statorici e 6 poli rotorici). 35
Motore a riluttanza commutata (SRM) Nel rotore non sono presenti né avvolgimenti né magneti permanenti. Su ogni polo statorico vi è una bobina. Le bobine disposte su poli diametralmente opposti sono connesse in serie e formano una fase e, quando sono percorse da corrente continua, creano polarità magnetiche opposte. Pertanto, alimentando una fase statorica, si genera una coppia che fa muovere il rotore sino a portarlo nella posizione di minima riluttanza. Con un adeguata alimentazione sequenziale delle bobine, è possibile produrre una coppia regolabile e quindi far ruotare il motore alla velocità desiderata. Tali motori richiedono quindi un adeguato convertitore per commutare la corrente fra le varie fasi statoriche e un sensore di posizione per individuare gli istanti più idonei per effettuare tali commutazioni. È anche possibile ottenere questa informazione tramite altri metodi, detti sensorless, analogamente ai motori brushless. 36
Vantaggi del SRM: Motore a riluttanza commutata (SRM) semplicità costruttiva, robustezza (velocità oltre 10.000 rpm), affidabilità, basso costo, alto rendimento, facile asportazione del calore, basso momento di inerzia. Gli svantaggi principali sono dati dal ripple di coppia e dal rumore acustico, che possono essere ridotti con opportuni metodi di controllo. Il loro utilizzo si sta estendendo a svariati prodotti destinati al grande consumo, quali automobili, lavatrici, ventilatori, aspirapolvere, pompe, ecc. 37
Macchina a riluttanza commutata (SRM) Potenze fino a 300 kw La macchina a riluttanza commutata (SRM) può essere usata anche come generatore, a patto di avere un circuito di eccitazione separato e quindi di uno stadio di eccitazione e uno di generazione. 38 38
Motore sincrono a riluttanza (SynRM) Il motore sincrono a riluttanza (SynRM) presenta una singola anisotropia, soltanto sul rotore, che è ottenuta tramite fori opportunamente progettati per ottenere delle barriere interne che si oppongono al passaggio del flusso, in modo da incanalarlo verso l asse diretto. La costruzione del rotore è tale da rendere massimo il rapporto tra induttanza lungo l asse diretto e induttanza lungo l asse in quadratura: L d /L q 10 20, L d -L q >> 0 L avvolgimento di statore è trifase, di tipo distribuito e alimentato con tensione alternata sinusoidale, analogamente a quello di un motore asincrono o brushless. Si tratta di una macchina sincrona, perché il rotore si muove in sincronismo con il campo magnetico rotante prodotto dall avvolgimento di statore. 39
Motore sincrono a riluttanza (SynRM) Anche il funzionamento del SynRM necessita di un convertitore di potenza, in questo caso di tipo tradizionale (diversamente dalla SRM), il cui software deve però essere opportunamente adattato, rispetto a quello di un motore asincrono. 40
Motore sincrono a riluttanza (SynRM) I principali punti di forza della macchina SynRM sono: elevati valori di rendimento (94-98% a carico nominale), che si mantiene anche a basso carico. assenza di magneti permanenti e conseguente riduzione dei costi (rispetto ai motori brushless e ai PMaSynRM). assenza di avvolgimenti rotorici e conseguente abbassamento delle perdite e delle temperature di esercizio (rispetto ai motori asincroni). relativa semplicità costruttiva (però più complessa rispetto ai SRM). facile manutenzione e alta affidabilità; può sostituire i motori asincroni standard nel range di potenze 5,5-315 kw, velocità 1500-3000 rpm. È sconsigliato per velocità elevate per problemi di scarsa robustezza. 41
Applicazioni del motore sincrono a riluttanza (SynRM) Il SynRM si presta a sostituire il motore asincrono in tutte le sue applicazioni a velocità variabile, escluse le alte velocità (> 3000 rpm), con un ROI di pochi anni (da 2 a 6 anni, a seconda dell applicazione). Sono inoltre escluse, per il momento, le taglie oltre i 315 kw. 42
Motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti (PMaSynRM) Il motore sincrono a riluttanza con magneti permanenti ha una costruzione analoga a quella del SynRM, solo che, in alcune barriere di flusso del rotore, sono inseriti magneti permanenti. 43
PMaSynRM Il vantaggio dei sistemi PMaSynRM nasce dalla possibilità di definire, per ogni applicazione industriale, una messa a punto ideale relazionata allo spessore delle barriere di flusso e al numero di magneti permanenti in esse inseriti. Il flusso magnetico dipende sia dall anisotropia di rotore sia dalla presenza dei magneti permanenti. Il flusso magnetico generato dai magneti permanenti è tuttavia una parte minoritaria del flusso totale (a differenza dei motori brushless) e un numero limitato di magneti è sufficiente a soddisfare questa porzione. Tale situazione, se inizialmente può sembrare limitante, rappresenta invece uno dei maggiori vantaggi del sistema: i magneti permanenti, costruiti con terre rare, rappresentano il maggiore onere economico della macchina e una loro limitazione ne alleggerisce il costo progettuale. Inoltre, si possono usare le ferriti, molto meno costose. 44
Tecnologia motore Asincrono PMSM Riluttanza variabile Inizio commercializzazione Percentuale sull installato Massimo livello di efficienza da catalogo Convertitore elettronico necessario? Adatto economicamente per applicazioni a velocità fissa? Costruzione del rotore Fine del 19 secolo 21 secolo 21 secolo > 80% trascurabile trascurabile IE4 IE5 IE4 no sì sì sì no no Pressofuso in alluminio, saldato o pressofuso in rame Magneti permanenti a terre rare o ferriti Robustezza meccanica Intermedio Il meno robusto a causa della potenziale smagnetizzazione da urti e vibrazioni Confronto del peso totale del motore per efficienza IE4 Acciaio ferromagnetico Il più robusto grazie alla semplicità del rotore (vale per SRM) Il più pesante Il più leggero Intermedio 45
Grazie mille per la vostra attenzione! Lucia Frosini lucia@unipv.it 46