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
C
Rete
v2 , f 2
v1 , f1
≈
Al variare della frequenza di alimentazione varia la
velocità di sincronismo ωs=2πf/p e si modifica
la caratteristica meccanica sul piano C-ωr.
La regolazione della frequenza è utilizzabile sia per
l’ avviamento che per la regolazione della velocità.
%
ωs=2πf/p
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.
Legge tensione-frequenza
La variazione di f comporta necessariamente anche la variazione
della tensione di alimentazione del motore VS, al fine di
ottimizzare l’impiego dei circuiti magnetici evitando la loro
saturazione. Sono possibili diverse leggi di regolaz. VS=F(f). Molto
usata è la legge VS/f=costante, adottata per contenere le
variazioni del flusso Φ.
%
Infatti, trascurando la caduta di tensione nello statore la LKT
dello stesso è:
V S  jN S K ws 


VS  2fN S K ws 
VS
 2N S K ws   K
f
La costanza di VS/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 rS rispetto alla reattanza xt.
In tale condizione anche la coppia di rovesciamento :
2
S
2
S
V
k V
k
CM 

2
2 f xt 4f lS  l 'R
%
varia poco con f. Per macchine di potenza minore e per f<fn
rS non è trascurabile rispetto a xt=2πf(lσS+l’σR). La coppia di
rovesciamento dedotta dal circuito equivalente a L è data da:
2
S
V
k
CM 
2 f rS  rS2  xt2
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>fn la tensione applicata
supererebbe il suo valore nominale.
Essa però deve rimanere costante.
Essendo:
V  2fN S K ws 
Se f aumenta e V è costante
Φ diminuisce.
%
Compensazione della caduta sulla resistenza rS a
basse frequenze.
Per migliorare l’appiattimento della
coppia a bassa frequenza dovuto
alla resistenza rS si aumenta la
tensione per f<fn 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 CM).
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 Clim 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 ωs portandola ad una velocità minore di quella di rotazione
ωr, lo scorrimento s=(ωs- ωr)/ ωs e la coppia diventano negativi
e la macchina funziona da generatore, restituendo energia alla
rete. Poiché ωs=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.
%
Frenatura supersincrona agendo su f (regolazione a scatti)
La coppia frenante oscilla in un intervallo la cui ampiezza dipende
dai salti Δf con cui diminuisce la frequenza.
%
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
Se tale mot. trifase ha un
avvolgim. trifase
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:
B( , t )  BM cos t cos p
essendo:
1
cos( a) cos(b)  [cos( a  b)  cos( a  b)]
2
il campo pulsante è esprimibile come somma di
due campi Bd e Bi di ampiezza metà e rotanti in
verso opposto con velocità  ωc (ωc= ω/p).
1
B(  , t )  Bd  Bi  BM [cos( p  t )  cos( p  t )]
2
Scorrimenti rispetto al campo
diretto Bd e inverso Bi
Bi
 c
Bd
r
c
c   r
sd 
c
 c   r c   r
si 

 c
c
Il rotore, rotante con
velocità +ωr, presenta lo
scorrim. sd rispetto al
campo diretto Bd rotante
con veloc.  c e rispetto al
campo inverso Bi, rotante
con veloc.  c , lo scorrim.
si. La relaz. tra sd e si è:
s d  si  2
Assumendo come
scorrim. principale s lo
scorrim. sd, si ha:
si  2  s
Il motore asincrono monofase, la
caratteristica elettromeccanica
Sul rotore agiscono la
“coppia diretta” Cd creata
da Bd concorde con  r e
la “coppia inversa” Ci
creata da Bi opposta a  r.
Trascurando le interazioni
tra Bd e Bi:
C  Cd  Ci C d  Cem (s) / 3
dove C em è la coppia di
un mot. trif. con lo stesso
Ns del mot. monof. e:
Cem (si )
Ci  
 Cd (2  s)
3
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. ωr prevale il campo
concorde con ωr. 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 ip ed ia, in quadratura :
i p  I M cos t
ia  I M sin t
Se p=1
Campo principale
B p  BM cos  cos t
Campo ausiliario
Ba  BM sin  sin t
Campo risultante
B  BM cos(   t )
Motore monofase a condensatore
Per sfasare ia rispetto ad ip nell’avvolgimento ausiliario s’inserisce un
condensatore C
V
Ia
Ip
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)
Rotore rotante
con velocità ωr
Campo rotante
con velocità ωc
creato dalle
correnti
statoriche
Nel motore
asincrono
Le fem rotoriche hanno pulsazione (ωc-ωr)=sω e sono date da:
E R   js 
%
Se il rotore raggiunge la velocità di sincronismo ωc (ωr= ωc)
→ 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 CL. Tale equilibrio si ripristina
se nel rotore aggiungiamo un altro avvolgimento monofase
attraversato da corrente continua Ie.
Avvolgimento
di eccitazione
Alimentato
in corrente
continua
La coppia motrice
applicata al rotore
è diversa da zero
F=IeLB
%
Funzionamento in regime sincrono
La corrente di eccitazione Ie nel rotore determina un campo
solidale con questo e quindi rotante alla velocità ωr= ωc →
questo induce nello statore delle fem e0 a pulsazione ω,
aggiuntive alle eS indotte dal campo rotante creato dalle
correnti statoriche:
e0   N S K wS
d e
dt
eS   N S K wS
d
dt
Riferendosi ai fasori, si può porre:
 E0  jN S K wS  e
 E S  jN S K wS   jLm I S
vedere diapositiva 32 oppure
diapositiva 54 nell’ipotesi di s=0 e Rm=∞ (Pfe trascurabili)
%
La LKT nella fase 1 statorica è:
V S  (rS  jlS ) I S  jLm I S  E0
X s   (lS  Lm )
Reattanza sincrona
Circuito equivalente
Diagramma
vettoriale
%
Calcolo della potenza e della coppia
Trascurando la resistenza rS
AB=E0sinδ
AB=CBsin(90-φ)=
=XSIScosφ
E0sinδ= XSIScosφ
Iscosφ= E0sinδ/XS
P=3VSIScosφ=3VS E0sinδ/XS
Cem
E0VS

3
sin 
c
c X S
P
Cem coppia
δ angolo di potenza
%
Il valore della coppia massima teoricamente sviluppabile
è dato quindi da:
CM
E0VS
3
c X S
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 ohmicocapacitivo. 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 ωc ai
morsetti statorici della fase 1 insorge la fem sinusoidale di
pulsazione p ωc :
 E0  jN S K wS  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 iS. Si ha pertanto
V S   E0  (rS  jlS ) I S  jLm I S
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 (iS in ritardo su vS) si ha il
seguente diagramma vettoriale
Trascurando la resistenza rS ,
operando come per il motore, si
perviene alla stessa espressione
per la coppia elettromagnetica:
Cem
E0VS

3
sin 
c
c X S
P
%
Poiché in questo caso il vettore rappresentativo della fem -e0
è in anticipo su quello della tensione vS , 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 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:
3
Fk  Bk LI e  BM cos( p k  t ) LI e 
2
3
 BM LI e cos( p k  st )
2
%
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.
 (t )   0   (t )  S t
d d

 S
dt
dt
d
  r   S   s S
dt
d 2 d 2
 2
2
dt
dt
%
L’equazione meccanica del moto è:
d 2
J 2   Coppie agenti
dt
Σ
Coppie agenti = Coppia sincrona + coppia asincrona-CL
Coppia sincrona
Coppia asincrona
.
J è il momento d’inerzia del
rotore
CL
Cem
E0VS
3
sin 
c X S
C as
k d
 ks  
 S dt
coppia resistente prodotta dal carico meccanico
d 2
k d
J 2  C M sin  
 CL
 S dt
dt
CM
E0VS
3
c X S
Coppia di smorzamento
che si oppone alle
variazioni di δ
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.
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