Costruzioni elettromeccaniche a.a. 2003 -04 MACCHINE ASINCRONE bozza 1 Contenuti 1 - Morfologia e sistemi di raffreddamento 2 - Circuiti magnetici 3 - Avvolgimenti 4 - Caratteristiche elettriche 5 - Diagramma circolare 6 - Rotori a gabbia 7 - Campi armonici 8 - Parametri caratteristici di una macchina 2 1 – Morfologia e raffreddamento Motori di piccola e media potenza asse orizzontale, supporti a scudo ventilazione a circuito aperto 3 Motore di potenza alette di raffreddamento asse orizzontale, supporti a cavalletto, raffreddamento a circuito aperto 4 Motore ad asse verticale cuscinetti di guida reggispinta 5 Elementi caratteristici di un motore asincrono di media potenza L ferro di statore cuscinetti conduttori attivi di rotore (indotto) ventola di raffreddamento D ferro di rotore scudo di supporto alette di raffreddamento avvolgimento di statore (induttore) alette rotanti di raffreddamento 6 2 – Circuiti magnetici V1, I1, f1 t d Dimensioni e parametri caratteristici n0 D M1 n 2 poli 4 conduttori per polo e per fase Fmm genarata dall’avolgimento trifase di statore 7 statore flusso al traferro F frequenza di statore f1 n0 velocità di rotazione del campo rotante d’induttore [giri/min] rotore n velocità di rotazione del rotore [giri/min] S = n0 - n scorrimento assoluto scorrimento frequenza di rotore supponendo n° poli di statore e di rotore uguali: p1 = p2 = p 60 f1 pp s S n0 n n0 n0 f 2 s f1 (n0 n) p 2 n0 n p 2 f2 n0 s f1 60 n0 60 8 Flusso al traferro V1, I1, f1 n0 M1 3 2 f a N S I1 considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro M1 n B 0 H 0 M1 de F B (t Leff ) de: traferro equivalente ; d e d kc con kc coefficiente di Carter di statore e rotore Ns = q N : numero di conduttori in serie per polo e per fase 9 Wb Flusso in funzione della potenza per una macchina asincrona P (HP) 10 Fmm nominale di statore Mn 3 2 fa NS In Spesso la Mn viene espressa in funzione della densità lineare di corrente A [Afili/m] che rappresenta la somma dei valori efficaci delle correnti nei conduttori dell’avvolgimento per ogni unità di lunghezza della circonferenza al traferro In It pt A tA N s p n fasi N s p n fasi N s n fasi In per nfasi = 3 bc tA 3 Ns bc I t N s p n fasiI n D A pt A Mn 3 2 I tc cbc hc J t c A hc fa NS In A 2 f at A c bc t c hc J Itc: corrente totale di cava ; tc tc c: coefficiente di utilizzazione della cava 11 Circuiti magnetici Statori Non vi sono differenze sostanziali fra le strutture degli statori delle macchine asincrone e di quelle sincrone. Esse infatti non presentano alcuna differenza dal punto di vista funzionale. Per il tratto di circuito magnetico relativo allo statore, sono utilizzati lamierini al silicio di tipo isotropo. Rotori Sono realizzati con lamierini legati al silicio dello stesso tipo di quelli utilizzati per gli statori, calettati direttamente sull’albero per piccole potenze, con l’interposizione di una lanterna negli altri casi. 12 Canali di ventilazione nel pacco statorico lc barra pressapacco canali di ventilazioni piastra e dita pressapacco pacchi magnetici elementari D/2 traferro rotore L Leff L c ncanlc ncan = numero dei canali di ventilazione c = fattore empirico di riduzione 13 3 - Avvolgimenti Avvolgimenti di statore (induttore) per le macchine di potenza sono realizzati con gli stessi criteri visti per le macchine sincrone; per le macchine di piccola potenza sono in genere realizzati con matasse formate da numerosi conduttori flessibili; Avvolgimenti di rotore (indotto) per le macchine di potenza si utilizzano avvolgimenti avvolti (formati da conduttori attivi, collegamenti frontali ecc.) chiusi in corto circuito o facenti capo ad anelli per il collegamento con circuiti esterni; per macchine di piccole o media potenza si utilizzano avvolgimenti a gabbia; 14 Esempi di cave di statore motore di piccola potenza motore da 1,2 MW, 6 kV 15 Avvolgimento di statore avvolto, embricato, 4 poli, 3 cave per polo e per fase statore di motore da 6 MW, 6 kV avvolgimento embricato, 4 poli 16 Avvolgimento di statore avvolto, ondulato, 4 poli, tre cave per poli e per fase avvolgimento ondulato, 6 kV, 4 poli, 6 cave per polo e per fase 17 Collegamenti esterni ai morsetti Y 18 connessioni frontali cave di statore conduttori attivi L D Statore di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV – avvolgimento ondulato 19 Statore di una macchina di piccola potenza con avvolgimento a matasse matasse isolamento verso massa della matassa 20 Particolare dell’isolamento verso massa di una matassa nello statore di una macchina di piccola potenza Motore da 5 kW, 380 V 21 L canali di raffreddamento cave di rotore Rotore avvolto di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV 22 Rotore avvolto, avvolgimento embricato, in corto circuito 23 Rotore avvolto, avvolgimento embricato, connessione ad anelli spazzole anelli circuito esterno 24 spazzole anelli canali di raffreddamento Rotore avvolto con collegamento ad anelli (anno 1911) 25 Avvolgimento di rotore a gabbia conduttori attivi anelli di corto circuito alette di raffreddamento Rotore a gabbia in alluminio pressofuso 26 Avvoglimento di rotore a gabbia in motori di piccola potenza anelli di corto circuito con alette di raffreddamento 27 Motore di potenza con rotore a gabbia I motori asincroni sono ormai, nella quasi totalità, costruiti a gabbia, ed in particolare a doppia gabbia, anche per macchine di potenza (centinaia di kW) 28 25 Motore di piccola potenza in esecuzione stagna Motore asincrono trifase Kw 0. 75 - poli 4 - grado di protezione IP57(IP67) servizio continuo senza ventilazione principale caratteristica costruttiva è il grado di protezione IP67 (IP57). Le varie tipologie di questi motori possono lavorare all'aperto, periodicamente inondati o completamente e costantemente immersi in acqua, ad una profondità massima, nella versione standard, di mt.1 (pressione 0,1 bar). Gli avvolgimenti sono eseguiti con classe d'isolamento F. 29 4 – caratteristiche elettriche fem indotta nell’avvolgimento di rotore fem indotta in ciascuna fase del rotore fermo (n = 0) E0 K 2F n0 fem indotta in ciascuna fase del rotore in rotazione E2 K 2F (n0 n) E2 K 2 F n0 n0 n s E0 n0 fem indotta a rotore fermo (s = 1) fem indotta a rotore in movimento (s 1) E0 K 2F n0 E2 s E0 30 Parametri elettrici dell’avvolgimento di rotore resistenza R2 induttanza L2 a rotore fermo (s = 1) reattanza X 2 2 f 2 L2 2 s f1 L2 impedenza Z 2 R2 j s X 0 2 2 2 Z R s X 2 0 2 X 0 (5 10) R2 ; X 0 2 f1 L2 a rotore in movimento (s 1) X 02 (25 100) R22 ; X2 s X0 R22 X 02 31 Potenze e perdite potenza elettrica assorbita Pass 3V1I1 cos 1 perdite rame statore 3R1 I12 perdite ferro statore E12 potenza trasmessa al rotore P0 3E0 I 2 cos 2 C 2 n0 60 perdite rame rotore Pcurot 3R2 I 22 potenza meccanica prodotta Pmecc C 2 n 60 Pcurot P0 Pmecc C 2 n0 n 60 perdite meccaniche potenza resa rendimento Pr Pcurot n0 n s P0 n0 Pr Pass 32 Coppia di trascinamento del rotore fem indotta a rotore fermo n0 E0 K 2F n0 E0 K 2F Pe 3E0 I 2 cos 2 2 n0 potenza meccanica trasmessa al rotore Pm C 0 C 60 potenza elettrica trasmessa al rotore Pe Pm 3E0 I 2 cos 2 C 2 n0 2 E0 C 60 60 K 2 F C 3 60 K 2 F I 2 cos 2 2 C K F I 2 cos 2 33 coppia di trascinamento del rotore C K F I 2 cos 2 C KF s E0 R2 K Fn R sR K F s 2 0 2 K r F 2 n0 22 Z2 Z2 Z2 Z2 Z2 C K r F 2 n0 s R2 R22 s 2 X 02 C f F2 , s 34 Coppia in funzione dello scorrimento si suppone F = cost. (in realtà F diminuisce all’aumentare del carico per effetto della reazione d’indotto del rotore, e quindi varia con lo scorrimento) sR C K r F n0 2 22 2 R2 s X 0 2 C A K r F 2 n0 R2 Cmax C As R22 X 02 s 2 A s R22 A 1 s 0,2 ; s 2 X 02 R22 C 2 X0 s s 0,05 ; s 2 X 02 R22 C 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 s 1.00 35 Coppia massima C (s) As R22 X 02 s 2 C A R22 s X 02 s R22 s 2 X0 R sm 2 X0 2 m Il denominatore diventa minimo per R22 d R22 2 2 X 0 2 X 0 0 ds s s lo scorrimento che corrisponde alla coppia massima è dato dal rapporto fra la resistenza e la reattanza a rotore fermo dell’avvolgimento d’indotto. Cmax sm R2 R2 X 0 R2 R22 X 0 2 2 C ( sm ) K r F n0 2 2 2 K r F n0 2 K r F n0 2 2 2 R2 sm X 0 R2 R22 R2 R2 X 0 X 0 2 F 2 n0 Cmax K r 2X 0 36 Caratteristica meccanica C s Cmax R2b Cavv n0 n no n (1 s) n0 R2a R2c R2d coppia massima Cmax F 2 n0 Kr 2X 0 R2a < R2b < R2c < R2d R2c = X0 n0 0 s n 1 0 scorrimento per la coppia massima sm = R2/X0 coppia di avviamento massima per R2 = X0 (sm = 1) 37 Coppia in funzione del flusso (motore a 4 poli – n0 = 1500 g/min) C 1,2 Fn 1,1 Fn Cmax Fn F 2 n0 Cmax K r 2X 0 0,9 Fn F 1200 1275 1350 1425 1500 0,05 0 s 0,2 scorrimento di coppia massima sm = 5% n (g/min) 38 Campo rotante d’indotto e d’induttore V1, I1, f1 n0 n0 M1 n2 60 f1 p n2 n n 60 60 f2 s f1 s n0 0 n0 n0 n pp pp n0 M2 nn Velocità di rotazione del campo rotante di rotore M2 rispetto allo statore n2 (n0 n) n n0 Fmm generata dall’avvolgimento di rotore Fmm generata dall’avvolgimento di statore il campo rotante creato dalle correnti d’induttore (statore) e il campo rotante creato dalle correnti d’indotto (rotore) sono sempre sincroni qualunque sia la velocità del motore. Nonostante il movimento del rotore gli avvolgimenti dello statore e del rotore si comportano come il primario e il secondario di un trasformatore. 39 Circuito equivalente I1t R1 X1 X2 I1 V E1 Rp I2 R2 I2 E2 Xm sE0 E0 E0 E0 E2 Z 2 R2 jsX 0 R2 s jX 0 R2 R2 R2 s jX 0 R2 jX 0 R2 1 s 1 I2 I1t R1 X1 E0 Z 20 R2 1 s 1 X0 I1 V Rp E1 Xm E0 R2 I2 1 R R2 1 s 40 Fattore di trasporto K X 01 X 0 K 2 f as NEst K f ar NErt R21 R2 K 2 NEst : numero di spire efficaci di statore (conduttori in serie per fase e per paia poli) NErt : numero spire efficaci di rotore (conduttori in serie per fase e per paia poli) fas : fattore di avvolgimento dello statore far : fattore di avvolgimento del rotore 41 trascurando il fattore di avvolgimento…… ( fas = far =1 ) K NEstat 3 1 NErot 3 K statore rotore numero totale conduttori 18 18 numero fasi 3 numero poli NEstat 3 1,5 NErot 2 statore rotore numero totale conduttori 18 24 3 numero fasi 3 6 2 2 numero poli 2 2 conduttori in serie per polo e per fase 6 6 conduttori in serie per polo e per fase 6 4 n° spire efficaci 3 3 n° spire efficaci NE 3 2 NE 42 Corrente a vuoto R1 I1t V X1 X2 I1 Rp E1 R2 I2 E2 R Xm Iv Ip V Im Iv: corrente a vuoto Rp Xm Ip: corrente di perdita Im: corrente di magnetizzazione Iv Ip Im Ip<<Im 43 2 V 2 Perdite a vuoto Pp R p I p Rp Perdite a vuoto sincrono (scorrimento nullo) • perdite nel ferro primario Pfe C p ( f f n )1, 2 B 2 Perdite a vuoto effettivo (coppia resa nulla) • perdite nel ferro primario Pfe C p ( f f n )1, 2 B 2 • perdite meccaniche Pm (0,7 0,8) Pn n Cp = cifra di perdita a 1T e frequenza nominale [W] Pn = potenza nominale [W] n = velocità di rotazione [giri/min] 44 Corrente di magnetizzazione Im M1 3 2 Im fa NS Im considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro Im B 1 M1 3 2 fa Ns M1 H d e Im in assenza di saturazione B 0 de 1 B 0 3 2 d e f a N S poiché è anche V f B Im de: traferro equivalente ; d e d kc con kc coefficiente di Carter di statore e rotore V f 45 Corrente di corto circuito I1t R1 X1 R2 X0 I1 I0 V I2 1 R R2 1 s E0 E1 Rp Xm In cto.cto. (rotore bloccato) Icc R1 X1 X01 R21 s=1; R=0 V I cc V R1 R21 j X 1 X 01 46 Rapporto fra coppia di avviamento e coppia nominale C n E0 I 2 n cos 2 n I 2 n Z 2 I 2 n Funzionamento a carico nominale I1t R1 X1 X0 I1 R2 I0 V I2 E1 Rp 1 R R2 1 s E0 Xm 1 R R2t R2 R2 1 2 s s Cn Funzionamento allo spunto (corto circuito) I1t R1 X1 X0 I1 I0 V Rp R2 I2cc E1 Xm E0 R2t I 22n R2t Z2 R2 2 I 2n sn Pcu 2 R2 I 22cc Cavv R2 I 22cc I Cavv sn 2 cc Cn I2 2 47 5 – diagramma circolare Costruzione del diagramma circolare V1 C Icc B O’ D A O I0 AD 1 AB 2 48 Diagramma circolare – tensioni e correnti V1 C V1 : tensione ai morsetti dello statore Icc I1 : corrente di statore I21 I2 : corrente di rotore I1 1 O’ I21 : corrente di rotore riportata al primario (statore) A O I0 I 2 I 21K I OC AC OC tiene conto del fatto che I0 varia col carico e AC quindi con lo scorrimento 49 Diagramma circolare – potenze e perdite V1 C Icc Pr Pass I1 retta delle potenze rese I21 1 Pcu A O I0 O’ Pp Pfe retta delle potenze assorbite 50 Potenza resa e perdite V1 S=1 Pr Pcurot S=0 O I0 Icc perdite rame rotore perdite rame statore Pcustat P0 perdite a vuoto 51 scorrimento s perdite nel rotore potenza trasmessa V1 Pr Icc perdite rame rotore Ptrasmessa V2 I 2 cos 2 Ptrasmessa Pcurot 0 perdite rame statore per una valutazione di prima approssimazione possiamo porre cos = 1 perdite a vuoto I0 Ptrasmessa V2 I 2 R2 I 22 R2 I 2 s V2 I 2 V2 R2 lc Ns Sc V2 2 f a f N s lt B lc Ns I2 lc 1 1 J 2 Sc s 2 f a f N s lt B 2 f a l t f B lc : lunghezza (media) dei conduttori di rotore ; Sc : sezione (media) dei conduttori di rotore 52 Coppia trasmessa al rotore V1 C Icc perdite rame rotore Ptrasmessa retta delle coppie perdite rame statore 0 Ptrasmessa perdite a vuoto I0 2 C n0 60 C 60 Ptras Ptras 2 n0 53 Coppia massima e coppia di avviamento V1 Icc Cmax Cavv perdite rame rotore perdite rame statore 0 I0 perdite a vuoto 54 Coppia nominale V1 Icc Cmax Cavv In perdite rame rotore Cn perdite rame statore 0 I0 ad esempio cos n 0,81 cos 0 0,19 cos cc 0,44 perdite a vuoto 55 Andamento qualitativo delle caratteristiche di un motore asincrono in funzione della potenza meccanica resa sull’asse cos1 I1 Pp 0 s Presa 100% Pn 56 6 – rotori a gabbia conduttori attivi anelli di corto circuito alette di raffreddamento Rotore a gabbia in alluminio pressofuso il numero dei poli è sempre imposto alla gabbia dal campo di statore. l’avvolgimento di rotore può essere considerato come costituito da tante fasi quante sono le sbarre (conduttori attivi), cioè con un solo conduttore per fase. per piccole e medie potenze le gabbie sono in alluminio pressofuso o centrifugato; per potenze maggiori si hanno gabbie con barre di rame inserite nelle cave con anelli di corto circuito saldati. 57 Corrente negli anelli Ia e nelle sbarre Is Is I’a Ia Ia I’a Is Is : angolo elettrico fra due cave vicine Ng p Ng : numero di cave della gabbia I s 2 I a sen 2 2 I a sen per Ng grande, piccolo I s 2I a p 2N g Ia 1 Ng Ia Is p sen p 2N g 2 2 58 Sezioni tipiche di conduttori per avvolgimenti a gabbia gabbia semplice gabbia doppia 59 Avvolgimento di rotore a doppia gabbia statore Il flusso concatenato con la gabbia secondaria investe anche il traferro ( ridotta) Il flusso concatenato con la gabbia primaria investe il traferro solo parzialmente ( elevata) rotore L gabbia secondaria h Rs ; Xs L p Ls gabbia primaria Rp ; Xp resistenza di rotore R2 alla frequenza di rotore f2 (R2dc = resistenza di rotore in continua) X p X s f 22 h 4 R2 ( f 2 ) R2 dc 1 k 2 60 Icc R1 Xp Rp/s Xs Rs/s X1 V s 1 X p R p s X s Rs s coppia di avviamento elevata s 0 X p R p s X s Rs s X p X s I s I p perdite nel rame elevate R p Rs Ip Ip perdite nel rame di rotore ridotte 61 7 – campi armonici Nella macchina asincrona possono essere presenti forti campi armonici: C f (F ) F f ( M1 ) M 1h 3 2 f1h N s I1 h M1h M1h coskt h h : ordine dell’armonica k : intero positivo (k = 1 per il campo principale) : angolo elettrico relativo allo sviluppo in serie di Fourier Se questi campi armonici danno luogo ad una distribuzione di flusso corrispondente ad un numero di poli multiplo di quello della macchina si hanno due conseguenze: coppie parassite vibrazioni 62 Coppie parassite asincrone C Si possono originare insellature della curva di coppia con un minimo Cmin relativo inferiore alla coppia resistente. Si può verificare quindi una coppia di impuntamento, vale a dire una situazione di regime del motore molto lontano dalla velocità di sincronismo. Cmin n s=0 63 Vibrazioni Il fenomeno della vibrazione del rotore o dello statore è legato soprattutto all’effetto dei denti, e si verifica quando il numero C della cave di statore differisce di poco da quello di rotore. Vibrazioni nel rotore si possono verificare se è C2 C1 1 C2 C1 p 1 Vibrazioni nello statore si possono verificare se è C2 C1 2 C2 C1 p 2 nel rotore: C2 = 19, 21, 23, 25, 27, 29 esempio: p = 4 e C1 = 24 possono verificarsi vibrazioni se è: nello statore: C2 = 18, 22, 26, 30 a 50 Hz la frequenza delle vibrazioni è in ogni caso di 600 p/s 64 Provvedimenti per ridurre i fenomeni indesiderati per eliminare questi inconvenienti è necessario scegliere opportunamente il numero delle cave di rotore, inclinare le cave rispetto all’asse della macchina, adottare avvolgimenti di statore a passo accorciato, e scegliere ampiezze di traferro non troppo ridotte. in ogni caso è necessario evitare di scegliere un numero di cave di rotore uguale a quello di statore o che differisca di un numero di cave eguale al numero dei poli. Va tuttavia sottolineato il fatto che i fenomeni vibratori possono essere causati anche da squilibri meccanici e da squilibri elettromagnetici. 65 Numeri ottimali di cave statoriche e rotoriche per motori asincroni Numero di poli Cave di statore 2 18 24 36 25 – 26 16 – 28 – 30 – 32 24 – 30 – 42 – 46 4 24 36 48 18 – 30 – 34 26 – 30 – 42 – 46 30 – 40 – 58 – 62 6 36 54 72 26 – 28 – 46 38 – 40 – 64 – 68 – 70 52 – 56 – 58 – 92 – 94 8 48 72 34 – 36 – 38 – 60 54 – 58 – 86 – 90 – 96 Cave di rotore 66 Motore di piccola potenza con rotore a gabbia Per attenuare il fenomeno delle vibrazioni bisogna porre innanzitutto attenzione al numero di cave, mentre è anche utile ricorrere ad una inclinazione relativa fra le cave di rotore e quelle di statore cave di rotore inclinate rispetto a quelle di statore 67 8 – parametri caratteristici di una macchina Parametri da specificare per il progetto di una macchina asincrona tipo e modo di raffreddamento livello di protezione eventuali caratteristiche antideflagranti numero delle fasi e collegamento potenza nominale e tipo di servizio tensione di alimentazione perdite e rendimento corrente nominale fattore di potenza a corrente nominale corrente a vuoto 68 Motori asincroni: valori medi dei principali parametri comunicati dai costruttori I dati si riferiscono a motori costruiti a “regola d’arte”, cioè nel rispetto delle norme CEI Pn nn In [kW] [giri/min] [A] I avv In cos n Pmecc Pfe i0 Pcu Vcc Cn % % % % [Nm] C avv Cn C max Cn % 0,55 1400 1,5 5 0,8 20 75 20 20 3,7 2,3 1,7 71 1,1 1400 2,8 5 0,81 10 60 11 19 7,5 2 2,3 75 3 1410 7 6 0,83 7 50 15 18 20 2,3 2,5 80 11 2935 22,5 6,5 0.84 6 35 10 15 36 2 2,5 87 75 1480 142 6,3 0.86 2,6 28 4,3 17 485 2,4 2,4 93 200 1485 370 6,8 0,87 4 22 3,2 15 1300 2 2,5 93 69 Percentuali di guasto rilevate dalla IEEE 5% 3% 6% cuscinetti 11% 37% avvolgimento rotore giunti 5% spazzole 33% cause esterne non specificate I guasti relativi all’avvolgimento sono quasi sempre nello statore, e sono determinati dal cedimento dell’isolamento 70 C -1 0 s 1 71 Motore monofase ad induzione C C1 -C2 n2 coppia risultante n1 M2 Cr C1 C2 M1 n s1 n1 n n1 s2 n2 n n2 0,2 s2 0,4 0,6 0,8 1 0,8 0,6 0,4 0,2 s1 0 72