avvolgimenti MAT

L’idea della generazione di un campo magnetico rotante partendo da un sistema fisico immobile si deve a
Galileo Ferraris nel 1885.
Delle bobine poste all’interno dello statore sono orientate spazialmente in modo uguale alla fase delle correnti isofrequenziali iniettate nelle stesse.
CAP.X
I MOTORI ASINCRONI.
La macchina a induzione deve le sue origini al proliferare delle idee che furono alla base della seconda rivoluzione industriale. Verso la fine del 1800 e precisamente nell’ultimo ventennio, partendo dalle teorie di Arago, le idee di Galileo Ferraris su una macchina ad induzione furono riprese dai più rinomati elettrotecnici dell’epoca, da Tesla a Scott fino a Dobrowolsky ingegnere della Allgemeine Elektrizität Gesellshaft
(AEG) e a Charles Brown che curarono la ingegnerizzazione
della macchina.
Il nome asincrono caratterizza delle macchine elettriche rotanti
in cui il rotore ruota ad una velocità prossima a quella del
campo magnetico rotante. Tra rotore e campo magnetico rotante permane una piccola differenza di velocità da cui il nome
Figura (motore asincrono)
asincrono.
Le macchine asincrone sono di dimensioni più piccole rispetto
alle macchine sincrone, solo in qualche caso raggiungono dimensioni di centinaia di kW. In genere la potenza è compresa tra qualche kW e alcune decine di
kW. Come tutte le macchine elettriche rotanti sono costituite da una parte fissa detta statore e da
una parte mobile detta rotore.
Tra il rotore e lo statore è presente
un traferro per consentire la rotazione del rotore.
La parte fissa comprende la carcas-
Se le correnti circolanti nelle tre bobine sono alimen-
tate da un sistema trifase equilibrato, esse sono
sfasate di 120° l’una dall’altra, anche le tre bobine saranno sfasate di 120°.
Si fissino ora, per esempio, i valori delle correnti nell’istante t=0. Le correnti produrranno ciascuna nel proprio avvolgimento, un campo magnetico,
i tre campi saranno diretti rispettivamente nel verso degli assi X1, X2, X3. Nell’istante t=0 I1 è nulla per cui anche la componente H1 deve essere nulla e evolverà verso una situazione crescente, I2
assume un valore negativo ed è crescente, I3 è positiva e decrescente; lo stesso andamento devono
assumere i campi prodotti H2 e H3 rispetto le rispettive correnti.
Ricorrendo alla scomposizione dei tre campi magnetici alternati nelle componenti rotanti destrorse
e sinistrorse (teorema di Leblanc), si arriva a rappresentare i vettori come nella figura succesiva.
In particolare devono essere mantenuti tra i vettori di campo gli sfasamenti delle tre correnti
generatrici del campo; presa a riferimento la posizione dei vettori hs1 e hd1 rispetto al proprio asse X1, hs2 e hd2 devono essere 120° in ritardo rispetto la medesima posizione riportata
all’asse X2(hs2’ e hd2’), mentre hs3 e hd3 di 120° in anticipo. Analizzando il grafico conclusivo
e tenendo conto della rispettive posizioni angolari, si nota che la composizione delle componenti sinistrorse dà somma vetX2
hs1
toriale nulla (sono tre
hd3’
hd2’
vettori di pari modulo
hs2
hs3
ma sfasati di 120°).
X1
hs2’
hd1
sa, avente funzione meccanica di sostegno ed il circuito
magnetico. Il circuito magnetico sostiene l’avvolgimento
induttore per cui la parte fissa è detta anche induttore.
La parte mobile comprende un circuito magnetico di rotore avente forma cilindrica, un albero, un collettore ad anelli.
X.1
CENNI SUL CAMPO MAGNETICO ROTANTE E SUL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
hs3’
hd2
hd3
X2
3
t=0
campo
rotante
wt1
X2
hs1
hs2
hs3
X1
hd1
hd2
hd3
t=t1
X2
3
campo
rotante
Le componenti destrorse sono in fase (i tre
campi di ciascuna bobina , così come le correnti, devono essere tra
di loro sfasati di 120°) e
quindi
sommandosi
producono un campo
risultante pari a tre volte l’ampiezza delle singole componenti rotanti.
Se ora consideriamo un
successivo istante t1
tutte le componenti sa-
ranno ruotate di un angolo uguale pari a ω⋅t1.
Le componenti sinistrorse saranno ancora sfasate di 120° e si annullano.
Le componenti destrorse daranno una somma ruotata dell’angolo ω⋅t1. Ripetendo il ragionamento
per istanti di tempo successivi scopriremo che il campo risultante ruota a velocità pari a ω nel verso
orario.
Se si scambiano tra di loro due delle tre fasi, si annullano, ora, le componenti destrorse mentre si
sommano quelle che ruotano in senso antiorario, cioè si inverte il senso di rotazione del campo magnetico rotante.
Dal punto di vista costruttivo si possono costruire motori
a 2, 4, 6 poli o a numero di poli variabile.
Il campo magnetico rotante prodotto dallo statore investe il rotore con un flusso Φ che ruota a velocità:
n=
60 ⋅ f
2πn 2π ⋅ f
⇒ω =
=
p
60
p
dove f è la frequenza di rete e p le paia polari.
Essendo variabile nel tempo, produce per la legge di Lenz una
f.e.m.:
dΦ
dt
Le f.e.m indotte producono nei conduttori rotorici delle correnti nel verso tale da produrre un campo
opposto al campo che lo ha generato.
Ciascuno dei conduttori rotorici è pertanto sottoposto ad una forza data dalla relazione:
F = B ⋅ I ⋅ L ⋅ sen α
ε =−
s=
no − n
no
C
I
Iavv
Cavv
In
Cn
CARATTERISTICA
MECCANICA
n2
n
CARATTERISTICA
ELETTRICA
Dati di targa e caratteristica di un motore reale
Alla stessa stregua dei dati di targa dei trasformatori, le caratteristiche essenziali sono riportate sulla
targa del motore:
• Pn potenza nominale è la potenza in uscita dall’albero motore
espressa in kW o in Hp
• Un tensione nominale
• In corrente nominale
• cosϕn fattore di potenza nominale a cui il motore funziona in
condizioni nominali
• sn scorrimento nominale
dove B rappresenta l’induzione magnetica
I la corrente rotorica
L la lunghezza di ciascun conduttore
α è l’angolo tra il conduttore e B, se α=90° allora senα=1.
Sul lato opposto del conduttore si avrà una forza uguale e opposta che produrrà una coppia
Il contributo alla coppia è massimo se:
• la forza è perpendicolare all’albero
• se è diretta tangenzialmente alla superficie cilindrica del rotore
• se è applicata al traferro (braccio massimo)
Queste considerazioni portano a B radiale e a correnti parallele all’albero.
Il rotore si mette in moto grazie a queste forze indotte accelerando la velocità angolare. Esso, tuttavia, non potrà mai raggiungere la velocità del campo magnetico rotante. Infatti se così fosse, ciascuna spira vedrebbe sempre lo stesso flusso magnetico e le correnti indotte e quindi la coppia motrice, si annullerebbero e il rotore diminuirebbe la propria velocità.
La differenza di velocità che a regime si viene ad instaurare tra campo rotante e rotore si misura
tramite il parametro scorrimento:
X.2 CRITERI COSTRUTTIVI
Il pacco statorico, per ridurre le perdite per isteresi, è realizzato con lamierini. I lamierini sono di ferro a basso tenore di silicio, in genere inferiore al 3%, per non pregiudicare le caratteristiche meccaniche. Tipicamente lo spessore delle lastre di
lamiera è di 0,35÷0,5 mm e le dimensioni di un metro per
due. Le perdite si aggirano da 2,5 a 3 Watt/kg e sono già messe in commercio isolate con carta o con vernici. Si hanno tre
tipi di lamiere: semilegate, legate, extralegate. I migliori lamierini sono quelli a grana orientata.
Caratteristiche
Spessore mm
Induzione B25(H=25 As/cm)
magnetica B50(H=50 As/cm)
Silicio
cifra di perdita
Carico di rottura in kg/mm2
Costo relativo
Lamiera
normale
0,5÷1÷1,5
1,53
1,63
Semilegate
Legate
Extralegate a grana orientata
0,5
1,5
1,6
0,5
1,47
1,57
0,35÷0,5
1,43
1,55
0,35
1,75
1,84
0,6
3,6÷8
30
1
1,2÷1,4
3
38
1,02
2,2÷2,6
2,3
45
1,06
3,8÷4,2
1,3÷1,7
56
2,43
2,6
0,5
40
2,7
Di conseguenza i costruttori di filo smaltato forniscono i diametri del conduttore nudo e lo spessore
dello smalto detto bispessore.
In figura è rappresentato una possibile forma costruttiva del
singolo lamierino per statore. I lamierini sono poi disposti su
più strati alternando le giunture e infine serrando con bulloni il pacco così formato.
Dopo la tranciatura il pacco è sottoposto a ricottura per migliorare le caratteristiche dei lamierini stessi.
X.3
LE CAVE E I CONDUTTORI
Le forme delle cave possono essere aperte, semichiuse, chiuse. Esse
sono destinate ad accogliere i conduttori in filo o a sbarra.
Le cave assolvono anche a risolve-
Manipolatore inseritore di matasse.
I conduttori sono inseriti manualmente nelle cave
dei motori di piccole dimensioni, in modo automatico per motori di maggiore potenza. Le cave prima
dell’inserimento delle matasse sono isolate con del
cartone o con fogli di plastica.
Per garantire la tenuta meccanica, la cava è richiusa
con un cuneo di legno o un tegolino di materiale
plastico.
re i problemi delle forze tangenziali
a cui sono sottoposti i conduttori, che se fossero disposti in
aria dovrebbero essere ancorati in modo tecnicamente costoso
e in modo complesso.
I conduttori a filo per avvolgimenti sono isolati con dello smalto dielettrico. Gli smalti sono molto
resistenti all’azione meccanica e hanno buone caratteristiche termiche.
Lo strato dello smalto può essere semplice , doppio, triplo o quadruplo.
Gli avvolgimenti a matasse possono essere a semplice
o a doppio strato in quest’ultimo caso i due avvolgimenti devono essere isolati da un diaframma.
In figura è rappresentato un avvolgimento a sbarre a doppio e a quadruplo strato.
X.4
Il rotore.
Il rotore caratterizza i due principali tipi di macchine asincrona: a rotore a gabbia e a rotore avvolto.
Le cave del rotore sono inclinate per ridurre le armoniche e per
facilitare l’avviamento
Da Disegno Elettrotecnico Elettromeccanico Del Monaco-V.Re
I motori a gabbia di scoiattolo (detti anche di cortocircuito) sono molto compatti e più semplici costruttivamente.
Il pacco dei lamierini con cui si realizza il circuito magnetico è fissato con una chiavetta all’albero
motore.
I rotori potrebbero essere realizzati anche in modo massiccio, infatti le perdite nel ferro di rotore rispetto a quelle di statore sono trascurabili, ciò non vuol dire ovviamente che non ci siano. In realtà
per semplicità costruttiva si preferisce realizzare i rotori con lamierini.
Le correnti indotte di rotore hanno una frequenza f2=sf1. Mentre all’avviamento hanno la stessa frequenza, esaurito il transitorio s assume un valore molto piccolo per cui la frequenza f2 risulta una
piccola frazione di f1.
Inoltre le perdite del ferro sono proporzionali al quadrato di f per cui la differenza tra perdite nel ferro di statore e di rotore risulta ulteriormente enfatizzata.
Le macchine con rotore a gabbia sono costruite con cave chiuse o semichiuse in cui si cola il metallo fuso in pressione (pressofusione).
Le cave possono essere semplici o costituire una doppia gabbia.
Nei rotori a doppia gabbia ideati da Boucherot nel 1894 ma realizzati solo nel 1926, sono disposti due insiemi di sbarre.
Quella più interna presenta una sezione maggiore e quindi minore
resistenza.
Quella esterna sezione più piccola e quindi maggiore resistenza ma
più bassa reattanza.
All’avviamento
la
frequenza delle correnti rotoriche assume valore massimo, la corrente circola nelle sbarre
più esterne (sbarre 1) che presentano minore reattanza.
A regime la frequenza delle correnti di rotore ha assunto un valore molto basso, la corrente interessa
principalmente le sbarre più interne (sbarre 2) aventi
minore resistenza.
Il motore funziona, ora, sulle caratteristiche meccaniche nominali.
La caratteristica complessiva sarà data dalla somma
delle due caratteristiche con conseguente miglioramento della coppia all’avviamento.
I motori a rotore avvolto sono realizzati con l’avvolgimento dei conduttori poste nelle cave di rotore.
Da Disegno Elettrotecnico Elettromeccanico Del Monaco-V.Re
Il vantaggio di questa scelta costruttiva deriva dal fatto che nel motore a gabbia non si riesce a limitare le correnti di avviamento senza diminuire la coppia di avviamento.
Invece, con i motori a rotore avvolto è possibile il collegamento di reostati esterni che facilitano
l’avviamento del motore.
Di contro sono più complessi
da realizzare e richiedono degli
elementi realizzativi aggiuntivi
(anelli e spazzole).
Gli anelli sono montati
sull’albero motore ed hanno la
funzione di permettere il collegamento di reostati esterni
all’avviamento. Gli anelli sono
normalmente tre e sono realizzati in rame o bronzo.
Essi sono attraversati dalle correnti rotoriche che si generano per induzione nell’avvolgimento di rotore.
Su questi anelli collettori strisciano delle spazzole in grafite uguali a quelle per dinamo o per generatori sincroni. Le spazzole sono sostenute da leve che hanno il compito di sollevare le spazzole ad
avviamento avvenuto, inoltre le stesse apparecchiature mettono in corto gli avvolgimenti di rotore.
X.5 Raffreddamento dei motori asincroni
Le perdite nel rame e nel ferro e per attriti producono un riscaldamento della macchina. E’ necessario, pertanto contenere l’aumento di temperatura entro livelli accettabili provvedendo al raffreddamento dei motori.
Nelle macchine a struttura aperta sono praticate delle aperture sulle fiancate e sugli scudi in modo che l’aria possa
entrare ed uscire liberamente. Tale accorgimento costruttivo
viene utilizzato per macchine di piccola potenza destinate a
funzionare in locali puliti. Tale tipo di ventilazione, infatti, comporta l’aspirazione insieme all’aria
di polvere e di umidità che alla lunga determinano l’accorciamento della vita del materiale isolante.
I motori autoventilati sono realizzati in modo che l’aria venga forzata da ventole poste sull’albero
o sul rotore. E’ possibile in questo caso costruire i motori con un opportuno grado di protezione.
Nelle macchine a ventilazione forzata l’aria è spinta nel motore da mezzi esterni e giunge al motore tramite dei condotti. E’ possibile inoltre predisporre dei filtri che purifichino l’aria di raffreddamento e impediscano la penetrazione di corpi estranei.
I motori con ventilazione in circuito chiuso non necessitano di condotti di aria forzata poiché il
raffreddamento dell’aria di ventilazione è fatta in loco con delle serpentine di raffreddamento.
Le macchine a convenzione esterna sono completamente chiuse il raffreddamento è realizzato esternamente raffreddando delle alette di dissipazione poste sulla carcassa. Questo tipo di motori è
utilizzato in ambienti saturi di gas deflagranti.
MOTORI PER INVERTER
Sono stati studiati per soddisfare le esigenze di motorizzazione moderne ad alte prestazioni, che
prevedono l’uso di motori asincroni e la possibilità di regolare la velocità tramite inverter.
Il pacco statorico svolge anche funzioni di carcassa e di integrazione della ventilazione. Sono molto
compatti e di forma allungata per garantire basse inerzie. Le prestazioni sono paragonabili o addirittura superiori ai motori in corrente continua di pari grandezza.
Un’altra caratteristica dei motori per inverter è di essere motoventilati per garantire il raffreddamento anche a bassi numeri di giri.
Si riportano i dati comparativi di un motore asincrono tradizionale standard e di uno per inverter:
Potenza
kW
4
7.5
15
37
55
Velocità
nominale
Giri/min
1440
1440
1460
1470
1475
Velocità max
Giri/min
ST
inv
------
9000
9000
8000
7500
7500
Coppia Cmax/
Cn
Nm
27
50
100
240
256
Cn
rendimento
ST
inv
ST
inv
ST
inv
ST
inv
ST
inv
2.9
3.1
3.5
2.8
2.6
2.5
2.1
2.3
2
2
83
86
90
91
91
84
85
90
93
93
0.013
0.029
0.106
0.32
0.52
0.0066
0.0144
0.093
0.29
0.387
30.4
51
106
207
264
35
54
116
224
285
334x222
425x195
402x248
510x195
554x317
637x262
690x411
835x318
690x411
930x318
Inerzia
peso
kgm2
%
Il tipo B o a poli alternati sono realizzati in modo che i conduttori sotto un polo sono collegati in
parte con i conduttori sotto il polo che precede ed in parte con i conduttori sotto il polo che segue.
dimensioni
kg
mm
X.6 Tipi di avvolgimenti
Come abbiamo già visto gli avvolgimenti sono l’insieme di più spire raccolte in matasse. Ciascuna
di queste matasse risulta opportunamente collegata alle altre realizzando un particolare modo di realizzare l’avvolgimento.
Tali collegamenti possono essere in serie o in parallelo secondo che si voglia rispettivamente aumentare la tensione oppure la corrente.
Il tipo ondulato si realizza collegando alternativamente i
primi conduttori sotto ciascun polo con i secondi e così
via. L’avvolgimento assume la caratteristica forma ad onda.
Si dice progressivo se i conduttori sono collegati tutti
nello stesso verso come rappresentato in figura, a costituire un avvolgimento di tipo A.
Si dice regressivo se dopo aver collegato metà degli avvol
Ondulato regressivo tipo B
gimenti in un verso, si inverte il senso di progressione lungo le cave a costituire un avvolgimento di tipo B.
Tipi principali
Il tipo A o a poli omonimi è realizzato in modo che tutti i conduttori sotto un polo siano collegati
sotto i corrispondenti conduttori del polo opposto.
Il tipo a spirale è realizzato collegando una matassa sotto
un polo con una sotto un altro polo per poi, da questa, ritornare al polo di partenza.
L’avvolgimento assume un caratteristico andamento a spirale.
Un avvolgimento di tipo concentrico è caratterizzato dalla costruzione di avvolgimenti di forma rettangolare e tra di loro concentrici.
X.7 Il disegno degli avvolgimenti
In questo paragrafo vedremo i parametri fondamentali che ci consentiranno di rappresentare, in alcuni casi semplici, gli avvolgimenti di motori asincroni trifase.
Il tipo embricato è quello più diffuso tra i piccoli motori, ha la caratteristica disposizione di tegole
sovrapposte di embrici appunto da cui il nome embricato.
Un primo parametro è l’angolo meccanico che, ipotizzando di mettere in movimento una spira
all’interno dello statore, è proprio l’angolo geometrico percorso dalla spira nella sua rotazione.
L’angolo meccanico non è detto che coincida con la variazione di fase della f.e.m. indotta sulla spira.
Infatti, se i poli sono solo due, a 360° compiuti dalla spira corrisponde un periodo della f.e.m. indotta, cioè 360° elettrici, ma, se i poli sono quattro, per la stessa rotazione avremo 2 periodi, cioè il fasore della f.e.m. avrà percorso 720°.
Ciò consente di definire l’angolo elettrico riferendolo alla f.e.m. indotta.
Detto p il numero delle coppie polari risulta:
αe = p ×α m
S
Inoltre gli avvolgimenti possono essere distribuiti nelle cave su un solo strato o su più strati.
Il collegamento delle matasse può essere realizzato in serie o in parallelo.
τ
N
S
Esiste, infine la possibilità di realizzare motori con più polarità e quindi con differenti velocità di
rotazione.
Il numero q di cave per polo e per fase consente di individuare quante
cave di ogni fase sono presenti sotto ogni polo :
N
Nc
Nc =numero di cave complessive, m numero delle fasi
q=
m⋅2p
(m=3)
Il passo polare è la distanza tra le mezzerie di due poli espressa in
gradi o meglio in numero di cave:
Nc
=3q
τ =
2p
Per determinare il principio di ciascuna delle tre fasi bisogna considerare che devono distare 120°
elettrici essendo alimentate con un sistema simmetrico trifase.
Ciascuna cava dista dalla successiva un angolo meccanico pari a 360°/Nc di conseguenza la distanza
360°× p
in angoli elettrici di tali cave è:
essendo α e = p × α m .
Nc
I due principi di due fasi devono distare 120° elettrici quindi un numero di cave pari a
120°× Nc 1 Nc 2 1 Nc
1 Nc
= ×
= × ×
= 2× ×
= 2q
360°× p 3 p
2 3 p
3 2p
Quindi i principi di due fasi distano di 2q cave.
E’ possibile tracciare avvolgimenti con passo di avvolgimento y minore di τ p .
Naturalmente y espresso in numero di cave deve essere un numero intero.
La f. e. m. indotta risulta diminuita del fattore di passo:
Κr= sen(90°Yn /τ )
Per un’armonica di ordine ν il fattore di passo vale:
Κr= sen(ν ⋅ 90°Yn /τ )
Se si sceglie un passo di avvolgimento pari a:
Yn =
ν −1
τ
ν
poiché si hanno solo armoniche di ordine dispari tale scelta annulla l’armonica di ordine ν.
Sempre per l’armonica di ordine n, il fattore di distribuzione vale:
Nel rappresentare le matasse si deve inoltre considerare se queste sono a passo intero o a passo raccorciato.
Quelle a passo intero hanno i lati attivi di ciascuna matassa di una fase che distano esattamente il
passo polare cioè 3q.
Quelle a passo raccorciato hanno i lati attivi di una fase che occupano più di 1/3 del passo polare.
L’utilizzo del passo raccorciato consente di ridurre le armoniche di ordine superiore e la lunghezza
delle teste di matassa e quindi di ottenere un risparmio di rame, meno ingombro, miglior ancoraggio.
kz =
senvqα e / 2
q ⋅ senvα e / 2