Avviamento asincrono del motore sincrono
Il campo rotante creato dalle correnti statoriche interagisce sia con la gabbia, producendo effetti analoghi a quelli del motore asincrono trifase, sia con l’avvolgimento monofase
d’eccitazione. Se questo è attraversato dalla corrente
stazionaria Ie si determina sul rotore una forza alternativa di pulsazione sω. Infatti il valore della forza Fk, agente su un generico conduttore rotorico attraversato dalla corrente
stazionaria Ie e di posizione αk, è dato da:
k e M k e
k B LI B p t LI
F cos( )
2
3
)
Per evitare le oscillazioni che tale forza alternativa produrrebbe, il circuito di eccitazione è alimentato con la corrente Ie solo
quando il motore si trova nell’intorno della velocità di
sincronismo. Delle oscillazioni transitorie comunque insorgono e sono smorzate dalla gabbia rotorica. Se il circuito monofase di eccitazione è chiuso, la sua interazione con il campo
rotante statorico comunque modifica la caratteristica C-s.
Avvolgimento di eccitazione
Il campo rotante creato dalle correnti statoriche, avente velocità ωc=pω (campo rotante principale), induce nel
circuito monofase d’eccitazione una corrente sinusoidale di pulsazione sω .
Nasce così un campo pulsante con la stessa pulsazione e solidale con il rotore. Tale campo, può essere decomposto in due campi rotanti in verso opposto aventi velocità rispetto
al rotore pari a sωc (campo diretto) e –sωc (campo inverso).
Il campo diretto ha rispetto allo statore una velocità pari a sωc+ωr= ωc e produce pertanto effetti analoghi a quelli del campo principale. Il campo inverso ha una velocità rispetto allo statore pari a ω’= - sωc+ωr=(1-2s)ωc. Se s<0,5, ω’>0.
Tale campo, agendo sullo statore, produce su questo una coppia oraria e per reazione una coppia sul rotore antioraria e pertanto di segno negativo. Per s=0,5, ω’=0 e non si ha
nessun effetto sulla coppia. Per s>0,5 il campo inverso
rotorico produce una componente di coppia che si somma a quella prodotta dal campo rotante principale.
Cd coppia prodotta dal campo rotante principale
Ci coppia prodotta dal campo di reazione inverso del circuito
monofase di eccitazione
%
P’ e P’’ sono 2 possibili punti di lavoro corrispondenti a 2 possibili condizioni di carico. P’’ evidenzia una situazione eventuale di stallo che impedisce la sincronizzazione.
Per evitare tale rischio l’avviamento asincrono può essere effettuato a circuito di eccitazione aperto oppure chiuso su una resistenza addizionale per limitare la corrente a
pulsazione sω.
Oscillazioni pendolari
Delle oscillazioni meccaniche del rotore insorgono, oltre
che nella fase di sincronizzazione, in conseguenza di variazioni della coppia resistente di carico. Si consideri p=1.
2 2 2
2
dt d dt
d
% t t
t
S ( )
0 ( ) dt
Sd dt
d
S S
r
s
dt
d
L’equazione meccanica del moto è:
2
2
dt J d
Coppie agenti J è il momento d’inerzia del rotore
Σ
Coppie agenti = Coppia sincrona + coppia asincrona-CL sin 3
0S c
em S
X V C E
.
Coppia sincrona
Coppia asincrona
dt d ks k
C
S as
CL coppia resistente prodotta dal carico meccanico
S c
S
M
X
V C E
3
0 L
S
M
C
dt d C k
dt
J d
2sin
2
L’equazione è analoga a quella che regola il movimento
smorzato di un pendolo. Il rotore effettua quindi le cosiddette oscillazioni pendolari intorno alla velocità di sincronismo,
smorzate dalla coppia asincrona esercitata dalla gabbia se esiste. Questa può essere dimensionata anche per
l’avviamento asincrono del sincrono o soltanto per smorzare le oscillazioni pendolari. In tale caso prende il nome di gabbia smorzatrice.
Coppia di smorzamento che si oppone alle
variazioni di δ
Eccitazione del motore
Eccitazione senza l’impiego di un generatore ausiliario. Il ponte si trova nello spazio fisso. La fornitura di corrente continua dal ponte all’avvolgimento di eccitazione avviene tramite un sistema di spazzole ed anelli
%
Il motore è definito “senza spazzole”. L’eccitatrice è una
macchina sincrona funzionante da generatore. In essa il . , circuito d’eccitazione in continua è nella parte fissa e
%
l’indotto trifase in alternata è montato in asse con il motore da eccitare. Anche il ponte a diodi alimentato da tale indotto viene montato sul rotore del motore. Il sistema è compatto, stabile, affidabile, con ingombri relativamente limitati e senza i problemi di esercizio creati dalle spazzole. Le prime
istallazioni sono state fatte a bordo degli aerei, che
richiedevano bassi pesi ed alte velocità, che comportavano una forte usura delle spazzole. Oggi sono largamente diffusi con potenze sempre maggiori.
Configurazioni rotoriche
Rotore cilindrico
Sul rotore è posto oltre all’avvolgimento d’eccitazione una gabbia simmetrica di smorzamento delle oscillazioni.
Questa eventualmente può essere dimensionata per l’avviamento asincrono del motore.
Motore a poli salienti
Sul rotore è posto oltre all’avvolgimento d’eccitazione una gabbia incompleta di smorzamento delle oscillazioni. Sia nella macchina liscia che a poli salienti l’avvolgimento d’eccitazione può essere
sostituita da magneti permanenti.
%
Rotore a poli salienti
%
Rotore a poli salienti
Corpo statore
Impiego delle macchine asincrone e
sincrone nella propulsione navale elettrica
Propulsione navale meccanica ed elettrica
Vantaggi della propulsione elettrica
• Assenza della connessione meccanica tra motore primo e albero porta elica e conseguentemente dei riduttori
meccanici
• Miglioramento del layout della nave, poiché non è più
necessario mettere i grandi motori termici (gruppi diesel o turbine) in asse con l’elica ma soltanto i motori elettrici di dimensioni minori.
• Conseguente collocazione dei motori primi in posizioni più vantaggiose ai fini di una più razionale utilizzazione degli spazi interni e dello smaltimento dei fumi
• Riduzione di consumi ed emissioni
• Miglioramento delle vibrazioni che il motore primo
trasmetteva allo scafo e conseguentemente del comfort dei passeggeri
• Largo impiego dell’elettronica di potenza con conseguente regolazione fine dell’azionamento, migliore flessibilità di manovra e crescenti livelli di automazione
• Conseguenti prestazioni dinamiche migliori della nave
• Incremento della sicurezza delle apparecchiature.
Principali campi d’impiego della propulsione elettrica
Le applicazioni oggi più diffuse sono le navi da crociera,
rompighiaccio, navi oceanografiche, navi posacavi e posatubi, mezzi sottomarini, fregate. Il rapido sviluppo dell’elettronica di potenza, prospetta anche applicazioni per navi cisterna, navi da carico e traghetti
Schema semplificato dell’impianto elettrico
di una nave AES (All Electric Ships)
La La propulsione elettrica prevede l’impiego per ogni elica di un azionamento formato da un motore elettrico in sostituzione del tradizionale motore diesel e di un convertitore statico atto ad alimentarlo ed a regolarne la velocità.
L’ architettura di tipo “tutto elettrico” AES è fondata sul
cosiddetto sistema elettrico integrato (IPS Integrated Power System) che comporta una radicale rivisitazione dell’impianto elettrico di bordo, il quale deve assicurare le necessarie
capacità di generazione,regolazione,e distribuzione dell’e.e. a tutti gli utilizzatori. L’IPS racchiude la centrale elettrica di
bordo, basata sull’insieme di generatori connessi ad una sbarra principale: da essa vengono alimentati,direttamente oppure tramite trasformatori o convertitori elettronici, tutti i carichi di bordo.
.
Confronto tra motore asincrono e sincrono
Vantaggi asincrono
• Versatilità
• Robustezza
• Elevata coppia anche a bassa velocità se
opportunamente regolato
• Assenza di contatti striscianti
• Compattezza
• Basso costo
Vantaggi sincrono
• Velocità di rotazione eguale alla velocità di
sincronismo imposta dalla frequenza
• Fattore di potenza prossimo a 1
• Regolazione fine della velocità
• Elevato traferro
Confronto tra motore asincrono e sincrono
Svantaggi asincrono
• Limitazione di potenza
• Corrente di spunto elevata in assenza di avviatore o sistemi di controllo
• Fattore di potenza minori di 1
• Valori usuali di traferro minori di un sincrono di eguale taglia
Svantaggi sincrono
• Presenza del circuito di eccitazione e suo
alimentatore (eccetto i motori a magnete
permanente)
• Maggiori oneri di manutenzione
• Maggiore ingombro e peso per potenze medie e piccole.