Raffreddameto degli idro-alteratori La macchia icroa Gli alteratori idraulici oo geeralmete raffreddati i aria (almeo fio a ua certa poteza): il rotore fuge ache da vetilatore, perciò oo autovetilati. (3 parte): raffreddameto, eccitatrici, impedeza icroa, curve di Fao eccezioe gli alteratori idraulici delle cetrali di pompaggio: poiché i queti cai i può avere l iverioe della velocità dell alteratore, è ecearia ua vetilazioe aitita co elettrovetilatori, per aicurare l efficacia del pretazioe limite, motore icroo raffreddameto i ogi codizioe. Al di opra di 300 MVA, per macchie a pochi poli, può eere previto i aggiuta il Lucia FROSN raffreddameto ad acqua demieralizzata egli avvolgimeti di tatore (aalogo a quello previto per i turbo-alteratori oltre ua certa poteza). Per macchie a molti poli, eedo la uperficie diperdete maggiore, geeralmete è Dipartimeto di gegeria dutriale e dell formazioe Uiverità di Pavia E-mail: lucia@uipv.it 1 ufficiete u raffreddameto ad aria. fie, i alcui cai è poibile etedere il raffreddameto ad acqua ache egli avvolgimeti di rotore (empre per idro-alteratori). 2 Raffreddameto dei turbo-alteratori Raffreddameto dei turboalteratori turboalteratori, a ecoda della loro poteza e di celte progettuali, pooo pricipali vataggi del raffreddameto i aria oo rappreetati da: preetare il eguete tipo di raffreddameto: requiiti di icurezza o codizioati dalla preeza dell idrogeo; i aria (fio a 450500 MVA al maimo); aeza di impiati per l idrogeo, la CO 2 e le teute d olio; i idrogeo (la preioe dell idrogeo è geeralmete a 35 atmofere); attività di getioe, cotrollo e mautezioe della macchia emplificate; i idrogeo + acqua demieralizzata ell avvolgimeto di tatore. tempi di motaggio e per le attività pre-operazioali e d avviameto ridotti. Per poteze fio a 450500 MVA, a parità di poteza, la macchia raffreddata i idrogeo riulta più piccola e più cara ripetto a quella i aria. l raffreddameto i idrogeo preeta u redimeto più tabile al variare del carico. l raffreddameto i idrogeo ivece ha i egueti vataggi ripetto all aria: Coefficiete di coducibilità termica 7 volte maggiore; Coefficiete di covezioe 1,35 maggiore; Riduzioe della cotamiazioe ambietale; Riduzioe del degrado elettrico degli iolati per effluvi e cariche parziali, grazie all aeza di oigeo e umidità. 3 4
Raffreddameto dei turboalteratori Raffreddameto dei turboalteratori vetilatori aiali Geeratore icroo a 4 poli co vetilazioe bilaterale ad aria (2 vetilatori aiali e caali radiali el ucleo magetico) 5 Schema di raffreddameto i aria di u turboalteratore l aria di raffreddameto circola elle camere di fodazioe della macchia apparecchiature di refrigerazioe per l aria 6 Raffreddameto dei turboalteratori Raffreddameto dei turboalteratori acqua demieralizzata idrogeo cambiatori di calore per il raffreddameto dell idrogeo vetilatore cetrifugo Alteratore raffreddato ad idrogeo e co circolazioe di acqua demieralizzata ell avvolgimeto di tatore 7 Schema di vetilazioe di u turboalteratore raffreddato ad idrogeo diretto el ucleo e ad acqua demieralizzata ell avvolgimeto di tatore caali di raffreddameto el ucleo tatorico 8
Raffreddameto dei turboalteratori Raffreddameto diretto a idrogeo blocco otego camera acqua piattie di rame pieo piattie cave i acciaio iox per la circolazioe dell acqua acqua demieralizzata di raffreddameto Negli alteratori co avvolgimeti di tatore raffreddati direttamete a idrogeo, l idrogeo circola aialmete al cetro delle barre di tatore detro tubi i acciaio iox amagetico. Queti tubi oo i cotatto termico co i coduttori di rame, ma oo iolati elettricamete da queti. blocchi di rame per il collegameto delle barre dell avvolgimeto camera acqua i acciaio iox Avvolgimeto tatorico raffreddato ad acqua 9 10 Raffreddameto diretto ad acqua l raffreddameto diretto ad acqua dell avvolgimeto di tatore prevede circolazioe d acqua all itero di u certo umero di coduttori cavi (che oo geeralmete di rame, ma pooo eere ache i acciaio iox) all itero delle barre tatoriche. Raffreddameto diretto ad acqua Particolari del itema di raffreddameto diretto ad acqua ulle due tetate di u alteratore da 1300 MVA: Co queto itema, il puto più caldo dell avvolgimeto è mateuto al di otto degli 80 C, co deità di correte da 6 a 10 A/mm 2. Ogi barra di tatore comprede coduttori piei e coduttori cavi. A ciacua etremità delle barre, tutti i coduttori oo collegati iieme i u alloggiameto i rame o i acciaio iox. La coduttività dell acqua deve eere mateuta a u valore iferiore a 0,2 S/cm. Lato turbia Lato eccitazioe 11 12
Raffreddameto diretto ad acqua Particolari di avvolgimeti di tatore co raffreddameto diretto ad acqua. Eitoo otazialmete tre tipi di itemi di eccitazioe: co diamo (ormai i diuo), eccitazioe tatica, Sitemi di eccitazioe 13 eccitazioe bruhle. u turboalteratore a due poli, l avvolgimeto di eccitazioe è cotituito da due emiavvolgimeti polari immetrici e perfettamete idetici (geometricamete e elettricamete). due emiavvolgimeti oo collegati i erie da ua coeioe iterpolare pota otto la cappa di blidaggio, dal lato degli aelli collettori. 14 Sitemi di eccitazioe Gli etremi degli avvolgimeti di eccitazioe fao capo a due aelli collettori, iolati tra loro e rigidamete calettati ull albero. Le pazzole (che oo ferme) ervoo per il collegameto al itema di eccitazioe i correte cotiua: Eccitazioe tatica l itema di eccitazioe tatico è cotituito da u gruppo tatico a tiritori, che coverte i teioe cotiua la teioe alterata trifae dell alteratore teo o di ua rete auiliaria. l gruppo tatico è alloggiato i uo o più armadi poti elle immediate viciaze dell alteratore. Queto tipo di eccitazioe è olitamete utilizzato ei turboalteratori accoppiati a turbie a ga e egli idro-alteratori per cetrali di pompaggio. Queto vale per i itemi di eccitazioe co diamo (ormai i diuo) e per quelli co eccitazioe tatica, metre i itemi di eccitazioe bruhle (come dice il ome) o fao uo delle pazzole. 15 16
Eccitazioe tatica Ripetto al metodo utilizzato i paato, cotituito da ua diamo pricipale eccitata a ua volta da ua diamo auiliaria, etrambi coaiali co l alteratore, il gruppo tatico offre diveri vataggi: i riducoo le dimeioi aiali della macchia; maggior grado di affidabilità; maggiore redimeto; migliore regolazioe della correte di eccitazioe (tempi di ripota più veloci). Eccitazioe bruhle U altro itema di eccitazioe, tuttora utilizzato, è il coiddetto bruhle, cotituito da u geeratore icroo auiliario, accoppiato coaialmete, eza pazzole, co l alteratore. Queto geeratore auiliario ha l avvolgimeto iduttore fermo (ullo tatore) e l idotto trifae rotate, la cui correte alterata viee raddrizzata tramite u pote di diodi (a ua volta rotate) e quidi iviata agli avvolgimeti di eccitazioe dell alteratore pricipale, eza eceità di pazzole. Nel itema di eccitazioe bruhle, l avvolgimeto di idotto ruota iieme ai diodi e agli avvolgimeti di eccitazioe dell alteratore pricipale (oo tutti coaiali e olidali co l albero). queto modo il collegameto elettrico tra eccitatrice e avvolgimeti di eccitazioe pricipale avviee eza l impiego di pazzole triciati. 17 18 Eccitazioe bruhle Eccitazioe Rotore a due poli co eccitatrice bruhle: Rotore (idotto) del geeratore auiliario e pote a diodi 19 tutti i cai, l eccitazioe dell alteratore deve far ì che la correte poa variare etro limiti piuttoto ampi, ia per mateere la teioe al valore voluto al variare del carico (i vedao le caratteritiche di regolazioe, più avati), ia per opperire ai cai di fuzioameto aomalo (ad e. è eceario agire co ua rapida dieccitazioe quado all alteratore viee tolto brucamete il carico). Per queto è empre preete u regolatore di teioe automatico (AVR). 20
Eccitazioe L eccitatrice tatica è geeralmete utilizzata ei paei idutrializzati i cui o ci oo problemi di rete ed ha il vataggio di ua velocità di ripota immediata, poiché la teioe è ubito quella richieta dall AVR (cotati di tempo ulle). Richiede ovviamete ua otituzioe periodica delle pazzole (itema di eccitazioe ad aelli, co cotatti triciati). L eccitazioe bruhle era preferita, i particolare attoro agli ai 80, perché o richiede la otituzioe periodica delle pazzole (o oo preeti). È tata molto utilizzata elle ituazioi i cui era preferibile itallare la macchia eza avere vicoli di mautezioe, a caua della macaza di peroale pecializzato. eccitatrice bruhle eccitatrice co diamo Determiazioe dell impedeza icroa La reiteza ohmica può eere determiata miurado direttamete la reiteza di ua fae dell alteratore. Per determiare X i oerva che, e i fa fuzioare l alteratore co i moretti chiui i corto circuito, la teioe ai moretti è eceariamete ulla. dicado co cc la correte che circola elle fai dell alteratore, i ha: cc X R E 0 = E 0 ( ecc ) E 0 R cc jx cc Z Quidi l impedeza icroa può eere determiata tramite il eguete rapporto: cc E 0 Z cc 21 22 Determiazioe dell impedeza icroa Determiazioe dell impedeza icroa Per determiare perimetalmete l impedeza icroa, prima i fa fuzioare l alteratore a vuoto e i rileva l itera caratteritica di magetizzazioe, miurado co u voltmetro la ucceioe dei valori che la teioe a vuoto aume, facedo crecere gradualmete la correte di eccitazioe da zero fio al maimo valore che può raggiugere. Facedo il rapporto tra le ordiate corripodeti delle due caratteritiche trovate, i ottegoo i valori dell impedeza icroa Z, da attribuire a ciacua fae dell alteratore, per ciacu valore di ecc. L impedeza icroa aume u adameto cotate per tutto l itervallo lieare della caratteritica a vuoto, per poi decrecere (a caua della aturazioe del ferro). Dopodiché i chiudoo i moretti i corto circuito attravero 3 amperometri di reiteza tracurabile e, facedo acora crecere per gradi la correte di eccitazioe, i rilevao i valori che vegoo auti corripodetemete dalla correte di corto circuito cc : coì i ottiee la caratteritica di corto circuito dell alteratore, che preeta u adameto quai empre rettilieo. E 0, cc, Z V cc ecc cc E 0 Z ecc 23 Nota la reiteza R, i determia X e i hao quidi tutti gli elemeti che defiicoo il triagolo fodametale dell alteratore. Nota: la caratteritica di corto circuito è lieare fio a correti di tatore pari a divere volte quella omiale, ovvero fio a che il circuito magetico o icomicia a aturare. E 0 jx R V 24
Oervazioi ull impedeza icroa La reattaza icroa X qui coiderata è quella o atura ecodo l ae diretto (X d o atura). Si defiice ache ua reattaza icroa ecodo l ae i quadratura (X q ), che, ei turboalteratori, è di poco iferiore alla X d (peo, i prima approimazioe, coiderata uguale). La differeza tra la X d elax q è data dalla divera riluttaza che il fluo icotra lugo l ae polare e lugo l ae iterpolare: ei turboalteratori, ella zoa iterpolare, c è ua piccola aiotropia dovuta alle cave di rotore. Al cotrario, egli idro-geeratori la differeza tra X d ex q è molto marcata (X q = 0,50,75 X d ). Caratteritiche di regolazioe Quado l alteratore fuzioa collegato a ua rete a teioe cotate, la correte di eccitazioe o può rimaere cotate, ma deve eere variata i modo che, per ogi valore di e, la teioe idotta ia tale da mateere cotate la teioe V ai moretti della macchia. La caratteritica di regolazioe è la curva che idica come deve eere variata la correte di eccitazioe ecc, i fuzioe della correte erogata e per u certo valore del fattore di poteza co, per avere teioe cotate ai moretti V. Eiterà ua caratteritica per ogi valore del fattore di poteza co e, co appoite prove, i potrà rilevare ua famiglia di caratteritiche, tutte relative allo teo valore di teioe ai moretti V e aveti l adameto qualitativo illutrato ella figura eguete. Tutte le caratteritiche partoo dallo teo puto a vuoto, la cui ordiata e0 rappreeta il valore della correte di eccitazioe ecearia per avere, a vuoto, la teioe ai moretti V fiata. 25 26 Caratteritiche di regolazioe Si oerva i particolare che: per carichi iduttivi, ohmico-iduttivi e ohmici, la correte di eccitazioe deve aumetare all aumetare della correte di carico, i quato la reazioe di idotto magetizzate tede a dimiuire la teioe: occorre aumetare l eccitazioe per cotratare la dimiuzioe di fluo; per carichi capacitivi e ohmico-capacitivi, la correte di eccitazioe deve dimiuire all aumetare della correte di carico, i quato la reazioe di idotto magetizzate tede ad aumetare la teioe: occorre ridurre l eccitazioe per cotratare l aumeto di fluo magetico. 27 Perdite el geeratore icroo Nota: per poteza omiale di u alteratore i itede la ua poteza apparete. La perdite di poteza i u alteratore oo date da: P ecc = poteza aorbita dall eccitatrice, el cao di eccitazioe coaiale: oo dipedeti dalla correte di eccitazioe. Nel cao di eccitazioe tatica, la poteza di eccitazioe è comuque ua poteza perduta, ebbee o ia prelevata all ae della macchia. P av = perdite meccaiche per attrito e vetilazioe: i pooo riteere cotati, i quato dipedeti dalla velocità. Quete perdite oo miori el cao di raffreddameto i idrogeo piuttoto che i aria. 28
Perdite el geeratore icroo P fe = perdite el ferro per iterei e correti paraite, imputabili quai iteramete allo tatore: o oo cotati i quato dipedoo dal fluo e quidi oo ifluezate dalla reazioe di idotto, dalla correte erogata e dal fattore di poteza (oo maggiori quado il carico è iduttivo). P j1 = perdite el rame tatorico, dipedeti dalla correte erogata al quadrato; Curve delle pretazioi limite dei geeratori Vogliamo capire il eguete diagramma, relativo a u turboalteratore: puto di fuzioameto omiale X E 0 = E 0 ( ecc ) V P add = perdite addizioali, ormalmete iglobate i quelle per effetto Joule oppure epree come ua percetuale di ee. Soo dovute alla o uiforme ditribuzioe della correte ei coduttori di tatore e a perdite per correti E 0 V jx paraite elle parti metalliche vicie agli avvolgimeti. No oo facilmete calcolabili, ma pooo eere determiate co appoiti programmi di calcolo. P t è la poteza tramea da rotore a tatore, P g è la poteza geerata. La poteza aorbita a vuoto è data da: P 0 P av P fe P ecc 29 30 Curve delle pretazioi limite dei geeratori Curve delle pretazioi limite dei geeratori l puto N rappreeta il fuzioameto omiale, a poteza, fattore di poteza e La circofereza co cetro i O e raggio: teioe omiali: ON X O' O V teioe omiale di rete (= ai moretti di macchia) rappreeta il luogo dei puti di fuzioameto a correte omiale e quidi a poteza omiale. ' O N V jx E0 OP X co f.e.m. a vuoto a carico omiale egmeto proporzioale alla poteza attiva erogata P Poiché la correte è la maima ammea i ervizio cotiuo, la circofereza rappreeta la curva di fuzioameto al limite termico degli avvolgimeti di tatore (limite di tatore). OQ X i egmeto proporzioale alla poteza reattiva erogata Q Tracurado la aturazioe, la f.e.m. a vuoto E 0 riulta proporzioale alla correte di eccitazioe: le circofereze co cetro i O oo duque i luoghi geometrici dei Dato qualuque puto N, le coordiate di N ecodo gli ai p e q foricoo i puti di fuzioameto a correte di eccitazioe cotate. opportua cala la poteza attiva e reattiva della macchia icroa, metre il egmeto ON, ella tea cala, forice la poteza apparete. La circofereza r di raggio E 0M (> E 0 ), che corripode alla maima correte di eccitazioe ammea i ervizio cotiuo, rappreeta la curva di fuzioameto al 31 limite termico dell avvolgimeto rotorico (limite di rotore). 32
Curve delle pretazioi limite dei geeratori Si è uppoto che eita u margie di eccitazioe ripetto alla codizioe omiale di fuzioameto (E 0M >E 0 ). Se tale margie o è previto el fuzioameto del turboalteratore (E 0M =E 0 ), allora la curva di fuzioameto al limite di rotore è la circofereza r che paa per N : il egmeto curvilieo N B i riduce al puto N. l limite uperiore della poteza attiva erogabile è la maima poteza della turbia P, che è miore della poteza omiale dell alteratore. Nel diagramma, la retta N CdiordiataP, parallela all ae q, rappreeta quidi il limite di turbia. Nel fuzioameto i ovraeccitazioe (correte i ritardo ripetto alla teioe V : Q > 0, primo quadrate), i ota che la macchia è i grado di erogare poteza reattiva ache > Q, corripodete alle codizioi omiali di fuzioameto, a codizioe che vega ridotta la poteza attiva. 33 Curve delle pretazioi limite dei geeratori Nella tratta AB è più codizioate il ovraricaldameto rotorico, ella tratta BN è più codizioate il ovraricaldameto tatorico. Per tabilire le poibili codizioi di fuzioameto i ottoeccitazioe (correte i aticipo ripetto alla teioe V : Q<0, ecodo quadrate), occorre determiare qual è la maima poteza reattiva capacitiva che la macchia è i grado di aorbire dalla rete, erogado cotemporaeamete poteza attiva. Quete codizioi limite oo dettate da eigeze di tabilità. La poteza attiva erogata è data da: P AegateleteioiE 0 ev, la maima poteza attiva teoricamete erogabile dal geeratore i ha per = /2: E V 3 0 X E V X 0 Pmax 3 i 34 Curve delle pretazioi limite dei geeratori Per > /2 il itema diveta itabile. Quidi la codizioe di fuzioameto limite teorica per il maimo aorbimeto di poteza capacitiva i realizza per = /2. Nel diagramma, il luogo geometrico degli etremi del vettore E 0 per cui = /2 è la retta O S: per tutti queti puti, la poteza reattiva capacitiva è proporzioale al egmeto OO e pari a: Q c, l 3 2 V X Ricordiamo che il fattore di proporzioalità, co cui moltiplicare i egmeti di queto diagramma, è: 3V X La poteza attiva maima erogabile co = /2 è forita dalla f.e.m. E 0 letta ella cala delle poteze: V Pmax E0 3 X Curve delle pretazioi limite dei geeratori Coì, e ad eempio E 0 =E 0 = O S, la poteza attiva erogabile è pari alla poteza omiale di turbia P. pratica, appiamo che il fuzioameto tabile è poibile olo co agoli u po iferiori a /2, per coetire ovraccarichi improvvii eza l ucita di pao. Co queto criterio viee cotruita la curva limite di tabilità pratica CD. La curva limite di tabilità pratica CD evidezia che la poteza reattiva aorbibile i ottoeccitazioe decrece al crecere della poteza attiva erogata. Nel cao di turboalteratori, a cui queto diagramma i riferice, ea i riduce a u piccolo valore el fuzioameto co la maima poteza attiva. Ciò giutifica la regola eguita da molti eerceti di cetrali di NON far fuzioare i ottoeccitazioe i turboalteratori. 35 36
Curve delle pretazioi limite dei geeratori Fuzioameto del motore icroo Quado la poteza attiva è ulla (marcia a vuoto o come compeatore icroo), la poteza reattiva aorbibile diviee più elevata: tuttavia, ea va teuta u po iferiore al valore teorico, ache per cautelari cotro il richio di autoeccitazioe (feomeo potezialmete pericoloo per cui la macchia, i aeza di eccitazioe, può preetare ai moretti u valore di teioe ache molto elevato, i cao di elevata impedeza capacitiva del carico, ad e. e la liea trifae è aperta per lavori). Molti progettiti precrivoo che la correte di eccitazioe o deve riduri al di otto del 10% del valore omiale. oltre, il fuzioameto prolugato i ottoeccitazioe dei turboalteratori è coigliato perché i quete codizioi il ferro di rotore o è aturato e perciò i modifica l adameto di diperioe alle etremità dello tatore: può avveire che itei flui diperi ivetao le tetate degli avvolgimeti e le piatre di etremità di tatore, provocado ecceivi ricaldameti localizzati. Nota: egli idro-geeratori, la curva di tabilità è i geerale divera da quella dei turbo-alteratori, eedo le reattaze lugo l ae diretto e lugo l ae i quadratura di valore divero. 37 Abbiamo vito che per agoli di carico < 0 (E 0 i ritardo ripetto al vettore V ), il ego della coppia i iverte e la macchia fuzioa da motore: C em 3 p p E V Z 0 i Queto accade quado la macchia icroa, allacciata a ua rete elettrica, è ottopota a ua coppia reitete (freate). Tale coppia tederà mometaeamete a far ralletare il rotore, per cui la f.e.m. idotta E 0 i porterà i ritardo ripetto alla teioe di fae della rete V. l rotore termierà di ralletare quado la coppia motrice da eo viluppata uguaglierà quella reitete del carico più le perdite. 38 Fuzioameto del motore icroo Fuzioameto del motore icroo l diagramma vettoriale viee impotato i modo divero, oia co l idea di rappreetare ua poteza elettrica aorbita poitiva, aziché ua poteza erogata egativa (covezioe degli utilizzatori): X R fae = rete quete codizioi, oltre ad aorbire poteza attiva dalla rete, il motore icroo aorbe o geera poteza reattiva iduttiva, a ecoda del valore auto dall agolo di faameto della correte ripetto alla teioe V : queto faameto dipede dalla correte di eccitazioe e quidi dal valore della teioe idotta E 0. E 0 = E 0 ( ecc ) V fae = V rete Se la macchia è ottoeccitata (E 0 < V ), ea aorbe poteza reattiva iduttiva dalla rete, perché la correte ritarda ulla teioe di fae V. V E 0 -jx Co queta iterpretazioe (covezioe degli utilizzatori), la teioe applicata V deve vicere la forza cotroelettromotrice E 0 e la caduta di teioe itera, pari a circa X (tracurado la reiteza R ): E 0 V jx fatti, uppoto che V rimaga empre cotate (impota dalla rete), e il motore icroo è ottoeccitato, igifica che il fluo magetico di eccitazioe è iufficiete, perciò occorrerà che eo aorba dalla rete poteza magetizzate: di coegueza la correte riulterà i ritardo ulla teioe. 39 40
Fuzioameto del motore icroo Fuzioameto del motore icroo Se la macchia è ovraeccitata (E 0 > V ), ea aorbe poteza reattiva capacitiva dalla rete, perché la correte è i aticipo ulla teioe di fae V. V E 0 -jx Abbiamo vito che, fiata la teioe di rete, la poteza ELETTRCA attiva (aorbita dalla rete) è proporzioale al egmeto co: P 3V co Perciò il diagramma eguete è diegato per u valore di P = cotate. fatti, e il motore icroo riulta ovraeccitato (fluo magetico di eccitazioe eccedete), occorrerà che eo aorba dalla rete della poteza magetizzate, oia di ego oppoto alla magetizzate, oia capacitiva: di coegueza la correte di idotto riulterà i aticipo ulla teioe. 41 Dalla formula della poteza MECCANCA i ha ivece che, a parità di altre codizioi e fiato u valore di P, deve rimaere cotate il prodotto E 0 i: E0 V P 3 p p i Z Quidi il i deve dimiuire e aumeta E 0.Sioervache la dimiuzioe dell agolo è favorevole alla tabilità. ottoeccitato E* 0 limite tabilità E 0 ovraeccitato jx E 0 E 0 V jx jx r 42 Fuzioameto del motore icroo Fuzioameto del motore icroo Tracurado le perdite, la poteza meccaica viluppata dal motore uguaglia la poteza elettrica attiva aorbita dal motore. Quidi, al variare della correte di eccitazioe, varia E 0 e varia ache, perché deve variare opportuamete l ampiezza del vettore jx. Quidi, e rimae cotate la coppia reitete applicata all albero, el diagramma vettoriale dovrà rimaere cotate il egmeto rappreetativo della poteza attiva co. Coì, aumetado emplicemete l eccitazioe del motore, la correte aorbita, che iizialmete era faata i ritardo di u agolo ripetto alla teioe, i porta i fae co queta. Di coegueza, e i fa variare la correte di eccitazioe i modo che vari l ampiezza di E 0, varierà ache il uo agolo di carico i modo tale che il vettore che rappreeta E 0 coervi cotatemete il uo etremo ulla retta parallela a V. La correte aorbita dal motore riulta eceariamete divera elle tre codizioi illutrate el grafico precedete, ia i modulo che i fae: ea è ifatti determiata dalla caduta itera di teioe (X ) che deve verificari ella macchia per colmare la differeza vettoriale tra la teioe applicata V e la f.e.m. E 0. Rimae cioè ivariata la ua compoete attiva (perché rimae cotate la poteza attiva aorbita), metre i riduce a zero la compoete reattiva. l valore di per = 0 è il valore miimo che può aumere la correte aorbita dal motore per far frote alla poteza cotate fiata P, che viee prelevata dalla rete co u fattore di poteza uitario. quete codizioi oo ridotte al miimo ache le perdite per effetto Joule e perciò il motore lavora elle codizioi di maimo redimeto elettrico. 43 44
Fuzioameto del motore icroo Per tutte le eccitazioi iferiori a queta, il motore lavora i regime ottoeccitato e la correte aorbita aumeta, metre il fattore di poteza dimiuice, perché la correte i faa i ritardo ripetto alla teioe. l fatto cotrario accade ivece, per quato riguarda lo faameto della correte, e l eccitazioe del motore viee aumetata portado il motore a lavorare i regime ovraeccitato: la correte aumeta i modulo e il fattore di poteza dimiuice, ma la correte paa i aticipo ripetto alla teioe. Quidi: per valori di eccitazioe iferiori (ripetto a = 0), il motore aorbe dalla rete correte magetizzate, comportadoi come u carico ohmico-iduttivo (regime ottoeccitato); per valori di eccitazioe uperiori (ripetto a = 0), il motore eroga i rete correte magetizzate, comportadoi come u carico ohmico-capacitivo (regime ovraeccitato): queta è ua caratteritica peculiare del motore SNCRONO. Curve a V del motore icroo Per u fiato valore di poteza attiva P, i può diegare l adameto della correte aorbita dal motore icroo i fuzioe della correte di eccitazioe ecc (o della f.e.m. E 0 ): l adameto della curva aume la forma caratteritica, detta a V, del motore icroo. Per poteza attiva ulla, oia el fuzioameto a vuoto, i ha ua curva a V il cui vertice tocca l ae delle acie (correte aorbita ulla, = 0): queta codizioe corripode al diagramma vettoriale che i riduce ai due vettori V e E 0 uguali e ovrappoti, che i verifica el mometo i cui i fa il parallelo co la rete e la macchia o aorbe é eroga alcua correte. Diegado le curve per diveri valori di poteza attiva P, i oerva che il valore miimo di ciacua curva i ottiee per co =1. 45 46 Curve a V del motore icroo Fuzioameto del motore icroo Collegado i vertici delle curve a V, i ottiee la liea di fuzioameto a co =1, che determia i valori dell eccitazioe che i deve forire alla macchia per realizzare u fuzioameto co fattore di poteza uitario (e perciò col valore miimo della correte aorbita) per le divere poteze di carico P. Ogi curva a V è limitata el regime ottoeccitato da u valore miimo della E 0,il quale corripode ui diagrammi vettoriali alla ditaza della retta r dal vettore V : queto valore di E* 0 defiice l etremo limite di ottoeccitazioe che i può raggiugere per ua data poteza di carico P, eza far ucire la macchia dal limite di tabilità ( = 90 ). ecc co Riprededo il fuzioameto della macchia come geeratore, i può oervare che, e viee mateuta cotate la poteza attiva P erogata (cioè e viee mateuta cotate la coppia del motore primo che lo tracia), la correte da eo erogata varia al variare di ecc ecodo ua curva a V. 47 48
Fuzioameto del motore icroo Fuzioameto del motore icroo Torado al fuzioameto come motore, i oerva che, aalogamete al fuzioameto come geeratore, queto i matiee tabile per agoli di ritardo di E 0 ripetto alla V iferiori al valore limite di 90 (all atto pratico, occorre teeri ufficietemete lotai da queto limite, per evitare che u aumeto accidetale di carico o faccia ucire il motore dal icroimo). Aalizzado i tre cai coiderati, i oerva che il regime di fuzioameto del motore icroo i matiee tato più lotao dal limite di tabilità quato maggiore è l eccitazioe. geerale, o è prudete dimiuire l eccitazioe di u motore icroo eza coocere il margie di tabilità che rimae acora dipoibile, perché i corre il richio di farlo ucire dal icroimo. Ua emplice idicazioe i propoito può eere forita dal valore della correte aorbita: e l eccitazioe è cara, ache ua ua lieve dimiuzioe determia u forte aumeto della correte aorbita (curva a V ), metre u aumeto dell eccitazioe produce ua eibile riduzioe della correte; e il motore è ovraeccitato, accade il fatto cotrario. fatti, per motore ovraeccitato (E 0 ) l agolo di ritardo è iferiore ripetto agli altri due cai, perciò i queto cao rimae acora dipoibile u margie di tabilità più ampio. Dalla relazioe: E0 V P 3 p p i Z i può ache oervare che u motore icroo che lavora co u determiato carico P, preeta u margie di tabilità tato più ampio quato miore è la reattaza icroa X. 49 50 Fuzioameto del motore icroo Fuzioameto del motore icroo fatti, al dimiuire di X, dimiuice l agolo di carico che i richiede affiché il motore viluppi la poteza P. oltre, e la reattaza è piccola, diviee più grade la poteza maima al limite della tabilità: P MAX E V Z 0 3 p p D altra parte, e la reattaza X è troppo piccola, il motore diviee ecceivamete eibile alle variazioi dell eccitazioe, ovvero le curve a V del motore riultao ecceivamete acute. l motore icroo deve eere perciò cotruito i modo che la reattaza itera abbia il giuto valore per coeguire u margie di tabilità ufficietemete elevato e avere el cotempo u campo di regolazioe ufficietemete ampio. 51 Proprietà fodametale del motore icroo è di ruotare a velocità aolutamete cotate (velocità di icroimo, che dipede ecluivamete dal valore della frequeza e dal umero di paia poli), a meo che il motore ia accoppiato ad u iverter. La caratteritica meccaica è perciò cotituita da u egmeto verticale di valore C max,aldiopradelqualeil motore ucirebbe dal icroimo. Naturalmete la coppia omiale C N è iferiore a quella maima (C N = 0,4 0,6 C max ). motori icroi pooo ruotare ache a velocità molto bae, i quato il umero di poli può eere ache molto elevato. 52
Fuzioameto del motore icroo Pregio pricipale del motore icroo è di poter fuzioare co qualiai fattore di poteza, poiché ciò dipede ecluivamete dalla correte di eccitazioe. Difetto pricipale è ivece quello di richiedere dei dipoitivi particolari per il uo avviameto, che rede l operazioe di avviameto più complea ripetto ai motori aicroi. Queti dipoitivi di avviameto pooo eere cotituiti da: motore di lacio della poteza di circa 5 10% di quella del motore pricipale; avvolgimeto a gabbia ul rotore (i pratica, il circuito morzatore), i modo che il motore vega avviato come aicroo (motori autoicroi). queto cao, la coppia di puto può eere molto baa, tale da coetire l avviameto del motore icroo olo a vuoto (l avviameto aicroo di u motore icroo è, i geerale, u operazioe molto impegativa); Fuzioameto del motore icroo avviameto del motore icroo a frequeza crecete: il motore è alimetato da u appoito geeratore icroo, che parte da fermo (frequeza zero) e raggiuge gradualmete la velocità fiale e quidi la piea frequeza (impiegato elle cetrali idroelettriche di pompaggio). l motore icroo, a caua della difficoltà di avviameto e della ua cotruzioe, trova coveieza di impiego olo dove occorroo gradi poteze (ell ordie dei MW) i fuzioameto cotiuo, ia a velocità elevate (da 4 a 6 poli) ia a bae velocità di rotazioe (da 8 poli i u). Applicazioi di queti motori i pooo trovare elle idutrie mierarie, petrolifere, metallurgiche, raffierie, ecc. per azioare compreori, vetilatori, pompe, ecc. 53 54 Eempi di rotori di motori icroi Avvolgimeti morzatori co eccitazioe bruhle: 55 56
Eccitazioe di motori icroi Campo di applicazioe dei motori icroi 14,92 MW 11,19 MW 7,46 MW 57 2 poli 4 poli 6 poli 8 poli (f = 60 Hz) 58 Oervazioi ulla tabilità e ulla X Come già oervato, per migliorare la tabilità a regime di ua macchia icroa, i richiede ua reattaza X baa. U bao valore della reattaza X i può otteere agedo ugli apetti cotruttivi, i particolare aumetado il traferro: i queto modo aumeta il valore della correte di eccitazioe ecearia per l otteimeto della tea teioe omiale a vuoto (aumetao le amperpire di rotore), dimiuice l effetto della reazioe magetizzate d armatura e aumeta la correte di corto circuito permaete. Aumetado il traferro occorre quidi caricare di più il rotore (più rame, più perdite). geerale, al dimiuire della X, corripode u aumeto del coto della macchia. Nota: per la tabilità diamica, è ivece deciiva la reattaza traitoria, che però o tratteremo i queto coro. 59