Macchine elettriche parte Macchine elettriche Generalità Definizioni Molto spesso le forme di energia in natura non sono direttamente utilizzabili, ma occorre fare delle conversioni. Un qualunque sistema in grado di trasformare una energia in un altra si chiama macchina. Queste macchine si dividono in: Statiche se la trasformazione dell energia avviene senza organi in movimento (es. Trasformatori.) Dinamiche se la trasformazione avviene per mezzo di organi in movimento (es. Motori, generatori.) Le macchine dinamiche si dividono in: rotanti o alternative in base del tipo di movimento. Le macchine che interessano il nostro corso sono quelle macchine in cui una almeno delle due energie che trasformano è di natura elettrica, esse sono dette Macchine elettriche, e si classificano in: motori; generatori; trasformatori e convertitori. Queste macchine si distinguono dal tipo di trasformazione che compiono. Facciamo ora un semplice schema che mostra il tipo di trasformazione e la denominazione delle macchine elettriche. Statiche Trasformatori n. lettrica n. lettrica Generatori(dinamo) n. Meccanica n. lettrica Corrente continua Motori n. lettrica n. Meccanica Gen. n. Meccanica n. lettrica Asincrone Motori n. lettrica n. Meccanica Rotanti A riluttanza Corrente altrnata Alternatori n. Mec. n. l. A rilutt. variabile Sincrone Motori n. l. n. Mec. A passo etc. etc Convertitori elettronici trasformano forme d' onda di grandezze elettriche La particolarità di queste macchine, esclusi i convertitori, è che il loro funzionamento si basa su fenomeni di tipo magnetico. Le macchine elettriche sono perfettamente reversibili nel senso che possono essere usate nell uno o nell altro verso.
Macchine elettriche parte Rendimento di una macchina elettrica Tutte le trasformazioni che avvengono nelle macchine elettriche, sono accompagnate da altre trasformazioni secondarie a carattere dissipativo che comportano la perdita di una parte di energia utilizzabile e che, quindi, incidono sul rendimento. principali tipi di perdite sono: sono le perdite Jaule ( J) e rappresentano quella parte di energia prinaria erdite di tipo elettrico o nel rame (Cu) che si trasformano in energia termica. Sono dovute alle correnti di Foucò, erdite per correnti parassite (Cp) e sono di tipo termico erdite di tipo magnetico o nel ferro (Fe) Sono legate al ciclo di isteresi, e rappresentano erdite per isteresi ( st) l'energia necessaria a megnetizzare il circuito magnetico. Rappresentano l'energia persa a causa delle vibrazioni, erdite per attrito e ventilazione perdite meccaniche (m ) degli attriti e del movimento dell'aria erdite addizionali (add) Dovute ad altri fenomini (ad esempio effetto pelle) Tutte queste perdite ovviamente fanno abbassare il rendimento effettivo della macchina che è definito come eff u e dove u è la potenza in uscita della macchina e e è la potenza entrante, ovviamente è u < e. l rendimento effettivo, nelle macchine elettriche, aumenta all aumentare delle dimensioni della macchina fino a raggiungere valori del 99%. elle macchine elettriche si usa il rendimento convenzionale definito secondo le formule: Dove: e u e u = Cu + Fe + m + add. motivi per cui si fa uso del rendimento convenzionale sono: ei trasformatori, macchine statiche, il rendimento è molto prossimo all unità per cui la potenza resa è quasi uguale a quella in entrata: inevitabili errori di misura potrebbero condurre all assurdo di determinare un rendimento superiore a ; ei motori e nei generatori, macchine rotanti, una delle forme di energia è di tipo meccanico, e quindi non facilmente misurabile; elle macchine di grande potenza, caratterizzate da elevate tensioni e correnti, la misura diretta delle potenze è molto complicata da eseguire.
Macchine elettriche parte Trasformatore rincipio di funzionamento l trasformatore è, forse, la macchina elettrica più importante, in quando il suo uso è di fondamentale importanza nel trasporto e nella distribuzione della corrente elettrica. oiché il trasformatore trasforma energia elettrica in energia elettrica, la sua funzione è variare le grandezze d uscita rispetto a quelle d ingresso. n altre parole ha il compito di abbassare o alzare la tensione. L energia elettrica è prodotta in media tensione (da.000 V fino a 35.000 V), in quanto a tensioni più elevate costerebbe troppo, è poi alzata ad alta tensione (35.000 V fino a 50.000 V), per ridurre le perdite in linea ( = R ) e viene in fine abbassata, prima in media tensione e poi distribuita a bassa (fino a.000 V), per questione di sicurezza e di costi degli isolanti. n pratica trasformatore è una macchina importante perché: L isolamento delle macchine e apparecchiature elettriche deve essere proporzionale alla tensione d esercizio. A parità di potenza da trasportare, la corrente diminuisce all aumentare della tensione, di conseguenza l energia è trasportata alla tensione più elevata possibile. La maggior parte degli utilizzatori elettrici funziona in bassa tensione Le reti urbane di trasmissione elettrica sono realizzate in cavi interrati in media tensione La sicurezza delle persone è maggiore a livelli contenuti di tensione l principio di funzionamento è basato sulle leggi che regolano il fenomeno dell induzione magnetica Legge di faraday ewman: La forza elettromotrice generata in una bobina è direttamente proporzionale alla variazione di flusso che ha interessato la bobina stessa. d f. e. m. dt Legge di Lenz Ampere: La forza elettromotrice indotta in una bobina è tale da opporsi alla causa che l ha generata: d f. e. m. dt Mutua induzione: Se disponiamo nello spazio due bobine e ne alimentiamo una con una tensione variabile, la corrente che attraversa le spire genera nello spazio un campo magnetico 3
Macchine elettriche parte (vedi figura sopra) ancora variabile, il cui flusso si concatena con l altra bobina, generando in essa una forza elettromotrice indotta. er quanto detto, i trasformatori, sono costituiti da due circuiti elettrici mutuamente accoppiati per mezzo di un circuito magnetico. L accoppiamento fra i due circuiti deve essere il più stretto possibile per evitare i flussi dispersi, cioè quella parte del flusso impiegato che si chiude in aria. er questo motivi i due circuiti sono avvolti attorno allo stesso circuito magnetico, di piccola riluttanzaa magnetica, nel quale si sviluppa un flusso che si concatena quasi completamente con entrambi le bobine. L avvolgimento che fa capo ai morsetti d ingresso si chiama primario, l altro avvolgimento, relativo allaa grandezza derivata, si chiama secondario. oiché la macchina è completamente reversibile, un effettiva distinzione tra i due avvolgimenti può essere fatta in base alle grandezze che la caratterizzano, allora si distingueranno in circuito di alta tensione e di bassa tensione. l trasformatore nei circuiti elettrici o/e negli schemi elettrici è rappresentato secondo i simboli riportatii in figura. Trasformatore ideale potesi d idealità Risulta,conveniente, allo scopo dello studio della macchina iniziare ricavando il modello in condizionii ideali e, successivamente, introdurre nel modello tutte quelle correzioni che permettono di tenere contoo dei tanti aspetti reali non trascurabili. elle condizioni ideali il trasformatore non ha perdite, di conseguenza si formulano le seguenti ipotesi:. conduttori dei due avvolgimenti sono considerati privi di resistenza (niente perditee per effetto Joule, nessuna c.d.t. sugli avvolgimenti);. l circuito magnetico fra le bobine è perfetto (nessun flusso disperso); 3. Si trascurano le perdite nel ferro (nessuna perdita di potenza dovuta a correnti parassite e per isteresi). n base alle ipotesii fatte, la potenza apparente assorbita al primario devee uguagliare apparente erogata al secondario, quindi vale la relazione: la potenza 4
Macchine elettriche parte A A V V V V Funzionamento a vuoto e diagramma vettoriale V 0 = 0 0 0 V Consideriamo un trasformatore ideale, rappresentato in figura, se alimentiamo con una tensione sinusoidale V il primario del trasformatore, composto di spire, in esso circolerà una Corrente sinusoidale, detta corrente magnetizzante. ssa è in quadratura (90 ) in ritardo rispetto alla tensione, poiché il carico è induttivo (vedi diagramma vettoriale). Ai capi dell induttanza di primario nasce una 0, in controfase (80 ) rispetto a V, infatti facendo LKT (legge di Kirchhoff alle tensioni) si ha: V (vedi diagramma vettoriale) 0 La corrente magnetizzante, circolando negli avvolgimenti, genera un flusso Φ 0 sinusoidale dato dalla relazione: Φ 0 = Da essa, essendo un numero puro, si vede che il flusso e la corrente magnetizzante sono in fase (vedi diagramma vettoriale) Tale flusso, in base all ipotesi di nessun flusso disperso, si chiude tutto attraverso il circuito magnetico e attraversa l avvolgimento secondario formato da spire, di conseguenza è lecito esprimere la relazione: Uguagliando le due espressioni si ottiene: Φ 0 = 0 dove il segno nasce dalla legge di Lenz Ampere, ed esprime che la corrente di secondario è in controfase rispetto alla corrente di primario (vedi diagramma vettoriale). assando al secondario, si ha che la corrente = 0 perché il circuito è aperto, e che la tensione = V (LKT al secondario). Si osserva che V è in controfase con V. n conclusione le equazioni che regolano il funzionamento del trasformatore a vuoto sono: 0 0 k k si chiama rapporto spire. 5
Macchine elettriche parte Si osserva che: k k k 0 0 0 0 0 0 (trasformatore innalzatore) (trasformatore di isolamento) (trasformatore abbassatore) Funzionamento sotto carico e digramma vettoriale V ' V V Z c 0 0 0 V =0 C 0 0 Se al secondario di un trasformatore attacchiamo un carico (una stufa, una lampada, un motore etc.), nasce una corrente, sfasata di un certo angolo o c dovuto al carico (vedi il grafico vettoriale), facendo LKT al secondario si ottiene: 0 V (in fase con V ) (il pedice i0 con i =, indica che si fa riferimento al valore di tensione quando il trasformatore funziona a vuoto). Attraverso il rapporto spire si ricavano i valori di: 0 0 (Vedi diagramma vettoriale). k k 0 k 0 k n fase con 0 n controfase rispetto a Si osserva che la è diversa da quella magnetizzante, infatti, essa contiene sia la corrente magnetizzante sia la corrente che nasce a causa del carico, cioè dalla nascita di. Applicando adesso la LKT al primario si ha: V (in controfase a 0 ) 0 6