Uso dei motori LSPM nei sistemi di pompaggio

Nelle raffinerie, il riempimento e lo svuotamento dei serbatoi di petrolio e di suoi derivati come combustibili e kerosene, `e un’operazione assai comune e consueta che utilizza, per detto scopo, pompe alimentate con motori asincroni di media taglia (del- l’ordine delle diverse decine di kilowatt).

Questi motori funzionano per lunghi periodi ma consumano una quantit`a enorme di energia che dovrebbe essere ridotta in modo da soddisfare le norme europee per il ri- sparmio energetico e criteri economici, di cui si `e gi`a discusso in precedenza.

Nell’ambito del risparmio energetico, gli LSPM hanno caratteristiche che li rendono sicuramente pi`u adatti per questo tipo di applicazione.

Come gi`a osservato, `e stato stimato che, in Europa, le macchine a induzione consuma- no circa il 50% di tutta l’energia elettrica generata.

I motori asincroni a gabbia di scoiattolo sono stati ampiamente usati per i loro indi- scussi vantaggi in termini di basso costo, estrema robustezza e necessit`a di minima manutenzione. Tuttavia, essi presentano un fattore di potenza basso e una minore efficienza (inferiore allo 0.9), e le perdite, causate dall’aumento di temperatura deter- minano una drastica riduzione della vita utile.

Di conseguenza, gli LSPM possono essere considerati una valida alternativa economi- ca ai comuni motori ad induzione grazie al risparmio annuo di energia elettrica. Questo risparmio di energia `e funzione delle ore di funzionamento all’anno e dell’e- nergia consumata. Cerchiamo, quindi, a scopo puramente esemplificativo, di valutare il costo di esercizio in un’applicazione di pompaggio quando si utilizza un motore a induzione o un motore sincrono a magneti permanenti autoavviante.

Ad esempio, consideriamo un motore da 22 kW, 1000 rpm con una tempo di funzio- namento medio annuo di 2000 ore e un costo dell’energia elettrica di 0.16 Euro/kWh.

• Potenza in ingresso: 22/0.88=25 kW

• Rendimento di un LSPM: 93%; prezzo stimato: 1500 euro

• Potenza in ingresso: 22/0.93=23.65 kW

• Risparmio energetico annuale: (25-23.65)*2000=2700kWh

• Risparmio annuale costo dell’energia: 2700*0.16=432 euro

• Differenza sul costo iniziale: 1500-500=1000 euro

• Tempo di ritorno dell’investimento iniziale: 1000/432=2.3 anni

Quindi, come si pu`o evincere da questo esempio, per questo tipo di applicazioni, un motore LSPM presenta un vantaggioso rapporto costi/benefici rispetto a un motore asincrono. Nella seguente figura, vengono riportati i costi totali dovuti ad entrambi i motori in funzione del tempo di funzionamento, espresso in anni.

E’ possibile notare che dopo il terzo anno, il costo del motore asincrono diventa mag- giore rispetto a quello di un motore LSPM.

I motori sincroni a magneti

permanenti line-start

Obiettivo di questo capitolo `e, in prima battuta, quello di fornire una panoramica re- lativa alle caratteristiche costruttive della macchina, in particolar modo per ci`o che riguarda la struttura rotorica.

Si passa, poi, ad analizzare, in maniera generale, il suo principio di funzionamento e ad evidenziare quali sono i suoi principali punti di forza e quelli di debolezza.

Infine viene descritto il modello matematico dei campi elettromagnetici, dei magneti, dei conduttori statorici e della gabbia rotorica.

2.1

Caratteristiche costruttive

La macchina `e costituita principalmente da uno statore cavo e da un rotore cilindrico coassiale al precedente.

L’albero `e sostenuto da due calotte che chiudono le estremit`a dello statore. Pu`o even- tualmente essere presente anche una ventola per il raffreddamento, direttamente calet- tata su una delle estremit`a dellalbero motore.

Lo statore

Modernamente le carcasse dei motori sono realizzate in alluminio, ed al loro interno `e

Figura 2.1: Esempio di motore sincrono LSPM

alloggiato il pacco di lamierini isolati con verniciatura, sede del circuito magnetico. Lo spessore delle lamiere `e generalmente di 0.5 mm e la sua riduzione fino a 0.2 mm o 0.3 mm porta a ridurre le perdite nel ferro e il riscaldamento del nucleo, ma tuttavia aumentano i costi dei materiali e delle lavorazioni di punzonatura.

Le lamiere sono costituite da ferro al carbonio con una considerevole componente di silicio, generalmente 1-2%, fino al 3% qualora si desideri ridurre ulteriormente la re- sistenza elettrica e le correnti di Foucault, con la conseguenza di rendere molto fragile il materiale.

All’interno delle cave realizzate nel pacco statorico sono alloggiati i conduttori del circuito induttore. Gli avvolgimenti statorici di queste macchine si dicono distribuiti perch´e costituiti da conduttori attivi entro le cave e collegati in modo appropriato. Due conduttori attivi collegati da una connessione frontale costituiscono una spira. L’insieme delle spire in serie tra loro e riunite costituiscono la matassa, i cui due lati vengono situati in due cave a distanza opportuna. I lati di matassa esterni alle cave sono chiamati testate. La disposizione delle testate definisce il tipo di avvolgimento:

• concentrico (matasse concentriche di diverse dimensioni);

tetto).

Figura 2.2: Conformazione di un avvolgimento distribuito

`

E opportuno notare che il comportamento elettromagnetico di un avvolgimento dipen- de dalla distribuzione dei lati attivi delle matasse nelle cave, mentre l’aspetto esteriore dipende dalla forma e dalla disposizione esteriore delle testate.

La forma e la disposizione di queste ultime non influenzano, invece, il comportamento magnetico.

Il numero di spire della matassa coincide con il numero dei conduttori di un lato attivo e quindi con il numero di conduttori di una cava.

Indicando con Scu la sezione del filo e con Nc il numero di conduttori di una cava,

l’area del rame di una cava `e:

S_Cu−cava= Nc· Scu (2.1)

La cava `e isolata con del cartoncino e fra i conduttori rimangono spazi vuoti; pertan- to, l’area della cava Sc deve essere superiore a SCu-cava; definendo il coefficiente di

riempimento della cava come rapporto fra l’area del rame in una cava e l’area della cava

K_R= SCu−cava Sc

una verifica da eseguire al termine del calcolo dell’avvolgimento `e che:

S_c> SCu−cava

K_R (2.3)

cio`e controllare se l’area della cava del lamierino scelto sia sufficiente a contenere i conduttori di un lato attivo di una matassa.

L’avvolgimento statorico `e caratterizzato dai seguenti parametri:

a. numero di cave c;

b. passo dell’avvolgimento τ;

c. numero di cave per polo-fase q;

d. cave per fase Cf;

e. distanza tra le fasi d.

Il numero di cave c `e sempre noto, in quanto, prima di iniziare il calcolo dell’avvol- gimento, si `e gi`a scelto il lamierino statorico da impiegare. Il passo τ si determina in base al numero di poli del campo magnetico rotante e perci`o in base al numero di giri/minuto che si desidera ottenere.

Indicando con p il numero di paia di poli, il passo dell’avvolgimento risulta:

τ = c

p (2.4)

Il passo coincide, in pratica, con la distanza fra i due lati attivi di una matassa.

Il numero di cave per polo e per fase si ottiene dividendo il numero di cave per il numero di poli e per il numero di fasi:

q= c p· 3 =

τ

3 (2.5)

Il numero di cave per fase `e pari a 1/3 delle cave totali:

C_f = c

in quanto l’avvolgimento `e costituito da 3 fasi.

Le tre fasi dell’avvolgimento devono essere a 120 elettrici; considerato che ad un passo polare corrispondono 180 elettrici in quanto le correnti nei due lati attivi di una stessa matassa sono in opposizione di fase, la distanza fra i principi (e le fini) delle fasi si ottiene dalla proporzione:

τ : 180 = d : 120 d= t ·120 180 = 2 3· τ (2.7) Il rotore

Il rotore di un LS-Pmsm presenta dei magneti permanenti per la generazione del cam- po durante il normale funzionamento (a regime) ed un circuito elettrico per il trasporto della corrente necessaria per la produzione della coppia asincrona all’avviamento. Di seguito sono descritte le soluzioni pi`u comuni.

Per ci`o che riguarda la parte elettrica, la soluzione a gabbia di scoiattolo (rappresentata in Figura 2.1) `e quella notevolmente pi`u adottata in quanto permette migliori rendi- menti sotto carico, bassi scorrimenti per la ridotta resistenza del secondario, seppur le correnti d’avviamento risultino elevate.

Nelle cave sono infilate delle sbarrette di rame o di alluminio unite alle estremit`a del rotore con degli anelli di corto circuito.

Per ridurre problemi d’impuntamento e per migliorare la regolarit`a dell’erogazione di coppia le cave sono leggermente inclinate.

Per lo stesso motivo i numeri di cave statoriche e rotoriche per polo devono essere primi tra loro.

Figura 2.3: Gabbia di scoiattolo

Per ci`o che riguarda la parte magnetica, per ottenere la densit`a e la distribuzione di flusso al traferro desiderata, nel corso degli anni, sono state proposte diverse soluzioni. L’ottimizzazione delle prestazioni nel funzionamento a regime porta spesso a una ri- duzione delle prestazioni durante l’avviamento; pertanto non `e facile scegliere una configurazione piuttosto che un’altra.

In letteratura `e possibile distinguere due configurazioni principali: le strutture con magneti sulla superficie del rotore (a magneti superficiali) e le strutture con magneti montati nel rotore (a magneti interni). Quest’ultimo gruppo pu`o essere, a sua volta, suddiviso in strutture con magneti interni magnetizzati radialmente e strutture con ma- gneti interni magnetizzati tangenzialmente.

Nella prima configurazione sono incollati sulla periferia di rotore, mentre nella se- conda vengono inseriti nel giogo al di sotto della gabbia. Il montaggio superficiale `e generalmente pi`u semplice e rapido da realizzare proprio perch´e consiste essenzial- mente nell’incollaggio. Tuttavia ha il limite di poter essere adottato soltanto nei casi in cui non `e richiesta una velocit`a particolarmente elevata, altrimenti si corre il rischio di distacco.

Per applicazioni ad alta velocit`a `e possibile adottare una bendatura esterna, il cui com- pito `e proprio quello di trattenere i magneti soggetti alla forza centrifuga. D’altro canto la struttura a magneti interni garantisce maggiore solidit`a e permette il funzionamen- to anche alle alte velocit`a, ma `e indubbiamente pi`u complessa. Con essa si supera il problema del dover far aderire i magneti alla periferia di rotore e di doverli proteg- gere dalle variazioni di flusso, ma si devono fare i conti con volumi alquanto ridotti:

non sempre c’`e abbastanza ferro nella regione in cui si vorrebbero collocare i magneti per realizzare una configurazione che garantisca le prestazioni desiderate e per fare in modo che tutti gli elementi del rotore rimangono saldamente bloccati assieme nel momento in cui siano sottoposti a forti stress meccanici.

Per quanto riguarda la disposizione dei magneti all’interno del giogo di rotore esistono svariate possibilit`a.

Nelle strutture pi`u comuni `e presente la magnetizzazione radiale o circonferenziale, ma ci sono anche costruzioni pi`u innovative, ibride, nelle quali, combinando gli effetti delle due tipologie di magnetizzazione, si riesce ad ottenere una densit`a di flusso al traferro maggiore, senza nessun sostanziale aumento dei costi di produzione.

Figura 2.4: Configurazioni del rotore tipiche delle macchine a MP

Nella seguente tabella sono riassunte le principali differenze tra le configurazioni ana- lizzate.

Magneti superficiali Magneti interni La densit`a di flusso magnetico al

traferro `e pi`u piccola dell’induzione residua

La densit`a di flusso magnetico al tra- ferro pu`o essere pi`u alta dell’induzio- ne residua (nel caso in cui il numero di poli sia maggiore a 4)

Costruzione semplice Costruzione relativamente complessa Reazione di armatura bassa Reazione di armatura molto alta Magneti permanenti non protetti dalla

reazione di armatura

Magneti permanenti non protetti dalla reazione di armatura

Perdite per correnti parassite nei magneti permanenti

Assenza di perdite per correnti paras- site nei magneti permanenti