Motore Asincrono (parte II) e Sincrono

Motore Asincrono (parte II) e Sincrono

Per allievi del CdL in Ing.

Navale

(aggiornato al 18 dicembre 2013)

Motore Asincrono Parte II

Funzionamento a frequenza variabile, frenatura, motore

asincrono monofase,

configurazioni costruttive

Funzionamento a frequenza variabile

2

≈

2, f v

1 1 , f v

C

Rete

Al variare della frequenza di alimentazione varia la velocità di sincronismo ω

=2πf/p e si modifica

la caratteristica meccanica sul piano C-ω

.

La regolazione della frequenza è utilizzabile sia per l’ avviamento che per la regolazione della velocità.

%

Per un’assegnata caratteristica del carico, al variare di f si sposta il punto di lavoro. In tal modo la velocità può essere variata dal valore corrispondente alla massima frequenza applicabile fino a quasi zero, sulla base della frequenza minima ottenibile con il sistema di alimentazione.

ω_s=2πf/p

La variazione di f comporta necessariamente anche la variazione della tensione di alimentazione del motore V_S, al fine di

ottimizzare l’impiego dei circuiti magnetici evitando la loro

saturazione. Sono possibili diverse leggi di regolaz. V_S=F(f). Molto usata è la legge V_S/f=costante, adottata per contenere le

variazioni del flusso Φ.

Legge tensione-frequenza

%

Infatti, trascurando la caduta di tensione nello statore la LKT dello stesso è:





S

j N K

V   ^V

^{ 2  fN}

^K

^

 ^{ N K   K }

f V

ws S

2 

La costanza di V_S/f comporta pertanto la costanza di Φ.

Per macchine di grande potenza (ad es. 1 MW) e per frequenze di alimentazione prossime a quella nominale, possiamo

trascurare la resistenza statorica r_S rispetto alla reattanza x_t. In tale condizione anche la coppia di rovesciamento :

R S

S t

M S

l l

V f

k x

V f

C k





' 4

2

2 2

2

 



%

varia poco con f. Per macchine di potenza minore e per f<f_n r_S non è trascurabile rispetto a x_t=2πf(l_σS+l’_σR). La coppia di rovesciamento dedotta dal circuito equivalente a L è data da:

2 2

2

2

S

M

r r x

V f

C k



 

%

Essa diminuisce per basse frequenze e può diventare anche più piccola della coppia nominale.

Si ha quindi un appiattimento di C per valori bassi di f.

L’entità dell’appiattimento è diverso a seconda della taglia del motore, poiché sono diversi i pesi relativi dei parametri resistivi ed induttivi.

Deflussaggio

Per f>f_n la tensione applicata

supererebbe il suo valore nominale.

Essa però deve rimanere costante.

%

Essendo:



 fN

K

V 2 

Se f aumenta e V è costante Φ diminuisce.

Compensazione della caduta sulla resistenza r

a basse frequenze.

Per migliorare l’appiattimento della coppia a bassa frequenza dovuto alla resistenza r_S si aumenta la tensione per f<f_n conservando la linearità della legge V-f.

Sono spesso adottate altre leggi di alimentazioni V-f, calcolate, noti i parametri del circuito equivalente, per imporre

specifiche condizioni (ad es. la costanza della coppia di rovesciamento C_M).

L’alimentazione del motore avviene tramite inverter o convertitori di frequenza per i quali la corrente non può

superare una soglia critica e che pertanto sono dotati di un limitatore di corrente. Si definisce coppia limite C_lim il valore della coppia del motore corrispondente alla corrente limite.

La tensione d’uscita dell’inverter o del convertitore di

frequenza è in genere periodica, ma non sinusoidale. V è il valore efficace della sua armonica fondamentale

Regolazione manuale della velocità

L’operatore fissa la frequenza f. Nella logica di controllo dell’inverter è implementata la legge V-f adottata

Regioni di funzionamento della macchina

asincrona

Frenatura del Motore

Frenatura supersincrona (o da generatore)

Se si provoca la diminuzione della velocità di sincronismo del

motore ω_s portandola ad una velocità minore di quella di rotazione ω_r, lo scorrimento s=(ω_s- ω_r)/ ω_s e la coppia diventano negativi e la macchina funziona da generatore, restituendo energia alla rete. Poiché ω_s=2πf/p, o si aumenta p o si diminuisce f.

Raddoppiando p il punto di lavoro si sposta da P₀ a P₁. La velocità si

dimezza quasi. Per arrestare il motore occorre agire su f.

%

La coppia frenante oscilla in un intervallo la cui ampiezza dipende dai salti Δf con cui diminuisce la frequenza.

%

Frenatura supersincrona agendo su f (regolazione a scatti)

Frenatura elettrica

Frenatura a inversione di fase (o in controcorrente)

Scambiando una coppia di fasi di alimentazione s’inverte il verso di rotazione del campo rotante e, con esso, anche quello della coppia trasmessa all’albero. La coppia da motrice si trasforma in frenante. Negli avvolgimenti viene dissipata un’energia termica pari alla somma dell’energia elettrica fornita dalla rete e

dell’energia cinetica delle masse in movimento. Nel caso di motori sottoposti a frequenti cicli di avviamento e frenatura si possono raggiungere temperature pericolose.

Motore asincrono monofase

Se non è disponibile l’alimentaz. trifase, per piccole potenze, da

decine di W fino a pochi kW, è possibile l’uso del motore monofase,

costituito da un rotore a gabbia e da uno statore monofase. Questo si può ad es. ottenere

collegando in serie due fasi di un mot. trifase. %

Motore asincrono monofase

distribuito sulla superficie interna dello statore, 2/3 di tale superficie saranno occupati dall’avvolgim.

principale monof. del mot.

monof. L’altro terzo potrà essere occupato da un avvolgim. ausiliario utile per l’avviam. del motore.

Motore asincrono monofase, il campo magnetico pulsante

L’avvolgim. monofase crea il campo pulsante:

essendo:

il campo pulsante è esprimibile come somma di due campi B

e B

di ampiezza metà e rotanti in verso opposto con velocità ω

(ω

= ω/p).





 t B t p B ( , ) 

cos cos

)]

cos(

) [cos(

2 ) 1

cos(

)

cos(a b  a b  a  b

)]

cos(

) [cos(

2 ) 1

,

( t B B B p t p t

B  





      



Scorrimenti rispetto al campo diretto B

e inverso B

Il rotore, rotante con

velocità +ω_r, presenta lo scorrim. s_d rispetto al

campo diretto B_d rotante con veloc. e rispetto al campo inverso B_i, rotante con veloc. lo scorrim.

s_i. La relaz. tra s_d e s_i è:

Assumendo come scorrim. principale s lo scorrim. s_d, si ha:

c r c

sd





 



c r c

c r c

si











 

 



 

c

r

c



s

 s

 2

s s_i  2 



c,



 Bd

B

Il motore asincrono monofase, la caratteristica elettromeccanica

“coppia diretta” C_d creata da B_d concorde con e la “coppia inversa” C_i

creata da B_i opposta a . Trascurando le interazioni tra B_d e B_i:

dove è la coppia di un mot. trif. con lo stesso N_s del mot. monof. e:



r

i

d C

C C  

C

3 / ) (s C

C_d  _em

) 2

3 ( )

(s C s

C_i   C^{em i}   _d 

Avviamento del motore monofase

La coppia d’avviam. (s=1) è nulla, poichè i due campi diretti ed inversi si equilibrano. Se il

motore è avviato con veloc. ω

prevale il campo concorde con ω

. Il motore può essere avviato meccanicamente oppure elettricam. creando un campo rotante. Non essendo possibile creare un campo rotante trifase creato da un sistema

simmetrico trifase di correnti, si può ricorrere ad un campo bifase creato dagli avvolgim.

principale ed ausiliario.

Campo bifase

Il campo è creato dagli avvolgimenti principale ed

ausiliario, i cui assi magnetici sono ortogonali e che sono attraversati dalle correnti i_p ed i_a, in quadratura :

Se p=1

Campo principale Campo ausiliario Campo risultante

t I

i



cos 

M

a  sin



t B

B_p  _M cos



 t B

B



sin  sin  ) cos( t B

B 

  

Motore monofase a condensatore

V

I

^I

Per sfasare i_a rispetto ad i_p nell’avvolgimento ausiliario s’inserisce un condensatore C

Motore a poli tagliati

Configuraz. motore trifase

%

%

%

Rotore

Motore trifase

Motore asincrono monof. (p=1)

Motore asincrono monof. (p=2)

Sistemi elettrici per i trasporti

Motore Sincrono

Genesi del motore sincrono a rotore cilindrico (p=1)

Campo rotante con velocità ω_c creato dalle correnti

statoriche Rotore rotante

con velocità ω_r

Le fem rotoriche hanno pulsazione (ω_c-ω_r)=sω e sono date da:





 js  E

% Nel motore

asincrono

Se il rotore raggiunge la velocità di sincronismo ω_c (ω_r= ω_c)

→ s=0 → fem e correnti rotoriche indotte si annullano →

coppia motrice C si annulla → viene meno l’equilibrio dinamico tra C e la coppia di carico all’asse C_L. Tale equilibrio si ripristina se nel rotore aggiungiamo un altro avvolgimento monofase

attraversato da corrente continua I_e.

Avvolgimento di eccitazione Alimentato in corrente continua

F=I_eLB

La coppia motrice applicata al rotore è diversa da zero

%

La corrente di eccitazione I_e nel rotore determina un campo solidale con questo e quindi rotante alla velocità ω_r= ω_c → questo induce nello statore delle fem e₀ a pulsazione ω, aggiuntive alle e_S indotte dal campo rotante creato dalle correnti statoriche:

Funzionamento in regime sincrono

dt K d

N

e





0

 dt

K d N

e

_{ }



Riferendosi ai fasori, si può porre:

e wS

S

K N

j

E  





S m wS

S

S

j N K j L I

E     



%

vedere diapositiva 32 oppure diapositiva 54 nell’ipotesi di s=0 e R_m=∞ ^(P_fe trascurabili)

La LKT nella fase 1 statorica è:

)

( r j l I j L I E V



 

 



) (

s

l L

X  



Reattanza sincrona Circuito equivalente

Diagramma vettoriale

%

Calcolo della potenza e della coppia Trascurando la resistenza r

% AB=E

sinδ

AB=CBsin(90-φ)=

=X

I

cosφ

E

sinδ= X

I

cosφ I

cosφ= E

sinδ/X

P=3V

I

cosφ=3V

E

sinδ/X

 

 ^{3 sin}

0

S c

S c

em

X

V P E

C  

Il valore della coppia massima teoricamente sviluppabile è dato quindi da:

S c

M S

X V C E



 3

Esso può essere aumentato incrementando E₀ e quindi sovraeccitando la macchina. A parità di E₀ l’angolo di

potenza δ è determinato dalla coppia resistente. Tale angolo dipende dalla posizione reciproca del campo rotante

statorico e di quello rotorico (rotanti alla stessa velocità) e conseguentemente dalla fase della tensione e della

posizione istantanea del rotore.

A parità di δ lo sfasamento φ tra tensione e corrente

dipende dal valore di E₀. Sovraeccitando opportunamente la macchina essa può risultare un carico di tipo ohmico-

capacitivo. Ciò si deduce dai due seguenti diagrammi

vettoriali.

%

φ>0 φ<0

Funzionamento da generatore

Facendo ruotare il rotore con un motore primo con velocità ω_c ai morsetti statorici della fase 1 insorge la fem sinusoidale di

pulsazione p ω_c :

e wS

S

K N

j

E  





Se la macchina funziona a vuoto tale fem coincide con la tensione esterna ai suoi capi; se tali morsetti sono collegati ad un carico

esterno, essi erogano la corrente sinusoidale i_S. Si ha pertanto

S S m

S

S

E r

j l I j L I

V  

 (  

)  

Tale equazione è rappresentata dal circuito equivalente analogo a quello con cui si è rappresentato il funzionamento da motore:

%

Se il carico è ohmico-induttivo (i_S in ritardo su v_S) si ha il seguente diagramma vettoriale

Trascurando la resistenza r_S , operando come per il motore, si perviene alla stessa espressione per la coppia elettromagnetica:

 

 ^{3 sin}

0

S c

S c

em

X

V P E

C  

%

Poiché in questo caso il vettore rappresentativo della fem -e₀ è in anticipo su quello della tensione v_S , l’angolo di potenza δ è da considerarsi negativo e pertanto la coppi elettromotrice è negativa. Essa corrisponde infatti alla coppia resistente

sviluppata dal generatore sincrono per equilibrare la coppia motrice applicata all’asse dal motore primo. Il generatore pertanto converte la potenza meccanica fornita all’asse dal motore primo in potenza elettrica trasferita al carico collegato ai morsetti esterni

Andata a regime del motore sincrono

In regime permanente la velocità del motore è quella di

sincronismo. Per portare il motore a tale velocità possono essere impiegate diverse possibili tecniche:

• si utilizza un motore di lancio

• si alimenta il motore a frequenza variabile; questa varia con continuità a partire da valori molto bassi fino a giungere,

con variazione molto lenta, alla frequenza nominale;

• sul rotore è posto oltre all’avvolgimento monofase d’eccitazione

una gabbia, che consente l’avviamento in regime asincrono del motore

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 I_e si determina sul rotore una forza alternativa di pulsazione sω. Infatti il valore della forza F_k, agente su un generico conduttore rotorico attraversato dalla corrente

stazionaria I_e e di posizione α_k, è dato da:







 _{k e M k e}

k B LI B p t LI

F cos( )

2

3

 

) 2 cos(

3 B

LI

p 

 s  t



%

Per evitare le oscillazioni che tale forza alternativa produrrebbe, il circuito di eccitazione è alimentato con la corrente I_e 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 ω_c=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 sω_c (campo diretto) e –sω_c (campo inverso).

Il campo diretto ha rispetto allo statore una velocità pari a sω_c+ω_r= ω_c e produce pertanto effetti analoghi a quelli del campo principale. Il campo inverso ha una velocità rispetto allo statore pari a ω’= - sω_c+ω_r=(1-2s)ω_c. 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.

C_d coppia prodotta dal campo rotante principale

C_i 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   

 ( ) 

 ( )  dt

d 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

 ^sin  3

S c

em S

X V C  E

.

Coppia sincrona

Coppia asincrona

dt d ks k

C

S as



 





C_L coppia resistente prodotta dal carico meccanico

S c

S

M

X

V C E

 3



S

M

C

dt d C k

dt

J d    

 



sin

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.

I sistemi attualmente più diffusi sono basati sull’impiego di Motore asincrono alimentato da un convertitore a circuito intermedio per una potenza massima per elica di 8-10 MW Motore sincrono alimentato da un cicloconvertitore per una potenza massima per elica di 30 MW