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Motore Asincrono (parte II) e Sincrono Per allievi del CdL in Ing. Navale (aggiornato al 18 dicembre 2013)

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Presentazione sul tema: "Motore Asincrono (parte II) e Sincrono Per allievi del CdL in Ing. Navale (aggiornato al 18 dicembre 2013)"— Transcript della presentazione:

1 Motore Asincrono (parte II) e Sincrono Per allievi del CdL in Ing. Navale (aggiornato al 18 dicembre 2013)

2 Motore Asincrono Parte II Funzionamento a frequenza variabile, frenatura, motore asincrono monofase, configurazioni costruttive

3 Funzionamento a frequenza variabile ≈ C Rete Al variare della frequenza di alimentazione varia la velocità di sincronismo ω s =2πf/p e si modifica la caratteristica meccanica sul piano C-ω r. La regolazione della frequenza è utilizzabile sia per l’ avviamento che per la regolazione della velocità.

4 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

5 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

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

7 varia poco con f. Per macchine di potenza minore e per f

8 Deflussaggio Per f>f n la tensione applicata supererebbe il suo valore nominale. Essa però deve rimanere costante. Essendo: Se f aumenta e V è costante Φ diminuisce.

9 Compensazione della caduta sulla resistenza r S a basse frequenze. Per migliorare l’appiattimento della coppia a bassa frequenza dovuto alla resistenza r S si aumenta la tensione per f

10 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

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

12 Regioni di funzionamento della macchina asincrona

13 Frenatura del Motore

14 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 P 0 a P 1. La velocità si dimezza quasi. Per arrestare il motore occorre agire su f.

15 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)

16 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.

17 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. %

18 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.

19 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 d e B i di ampiezza metà e rotanti in verso opposto con velocità ω c (ω c = ω/p).

20 Scorrimenti rispetto al campo diretto B d e inverso B i 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:

21 Il motore asincrono monofase, la caratteristica elettromeccanica Sul rotore agiscono la “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:

22 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 r prevale il campo concorde con ω r. 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.

23 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

24 Motore monofase a condensatore Per sfasare i a rispetto ad i p nell’avvolgimento ausiliario s’inserisce un condensatore C

25 Motore a poli tagliati

26 Configuraz. motore trifase

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29 Rotore

30 Motore trifase

31 Motore asincrono monof. (p=1)

32 Motore asincrono monof. (p=2)

33 Sistemi elettrici per i trasporti Motore Sincrono

34 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: Nel motore asincrono

35 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 e LB La coppia motrice applicata al rotore è diversa da zero

36 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 e 0 a pulsazione ω, aggiuntive alle e S indotte dal campo rotante creato dalle correnti statoriche: Funzionamento in regime sincrono Riferendosi ai fasori, si può porre: vedere diapositiva 32 oppure diapositiva 54 nell’ipotesi di s=0 e R m = ∞ (P fe trascurabili)

37 La LKT nella fase 1 statorica è: Reattanza sincrona Circuito equivalente Diagramma vettoriale

38 Calcolo della potenza e della coppia Trascurando la resistenza r S AB=E 0 sinδ AB=CBsin(90-φ)= =X S I S cosφ E 0 sinδ= X S I S cosφ I s cosφ= E 0 sinδ/X S P=3V S I S cosφ=3V S E 0 sinδ/X S C em coppia δ angolo di potenza

39 Il valore della coppia massima teoricamente sviluppabile è dato quindi da: Esso può essere aumentato incrementando E 0 e quindi sovraeccitando la macchina. A parità di E 0 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 E 0. Sovraeccitando opportunamente la macchina essa può risultare un carico di tipo ohmico- capacitivo. Ciò si deduce dai due seguenti diagrammi vettoriali.

40 φ>0 φ<0

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

42 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:

43 Poiché in questo caso il vettore rappresentativo della fem -e 0 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

44 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

45 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:

46 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

47 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. 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

48 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

49 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.

50 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.

51 L’equazione meccanica del moto è: Coppie agenti J è il momento d’inerzia del rotore Σ Coppie agenti = Coppia sincrona + coppia asincrona-C L. Coppia sincrona Coppia asincrona C L coppia resistente prodotta dal carico meccanico

52 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

53 Eccitazione del motore

54 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

55 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

56 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.

57 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.

58 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.

59 Rotore a poli salienti

60

61 Corpo statore

62 Impiego delle macchine asincrone e sincrone nella propulsione navale elettrica

63 Propulsione navale meccanica ed elettrica

64 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

65 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.

66 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

67 Schema semplificato dell’impianto elettrico di una nave AES (All Electric Ships)

68 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..

69 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

70 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.

71 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


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