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1 Costruzioni elettromeccaniche a.a. 2003 -04 Bozza – Marzo 2004 MACCHINE SINCRONE F.e.m indotte e avvolgimenti.

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1 1 Costruzioni elettromeccaniche a.a Bozza – Marzo 2004 MACCHINE SINCRONE F.e.m indotte e avvolgimenti

2 2 1 – dimensioni e parametri di riferimentodimensioni e parametri di riferimento 2 – fem indotta in un conduttorefem indotta in un conduttore 3 – avvolgimentiavvolgimenti 4 – riduzione delle armonicheriduzione delle armoniche 5 – isolamentoisolamento Indice

3 3 1 - Dimensioni e parametri di riferimento mm D L

4 4 connessioni frontali conduttori attivi L

5 5 4 poli - 36 cave di statore  D mm   N S n angolo meccanico fra le cave passo polare

6 6 relazione di Faraday-Neumann: se un circuito è immerso in un campo d’induzione magnetica il cui flusso  concatenato col circuito stesso è variabile nel tempo, allora in esso si genera una forza elettromotrice E i (fem indotta) data da: l x v B S EiEi meccanica (pollice) magnetica (indice) elettrica (medio) regola della mano destra v è la velocità del conduttore rispetto al flusso 2 – Fem indotta in un conduttore

7 7 meccanica (pollice) magnetica (indice) elettrica (medio) regola della mano destra L’andamento dell’induzione al traferro B(x) dipende essenzialmente dal traferro  fe (x) B(x)B(x) B(x)B(x) x v  N S rotore statore scarpa polare gambo polare traferro  fe (x) velocità del conduttore v

8 8 B(x) è una grandezza alternata che può essere espressa in funzione del suo valor medio B m e del fattore di forma K f B max B(x)B(x) x v   /2 BmBm D 

9 9  valore efficace della fem indotta B(x)B(x) E(t)E(t) Fem indotta in un conduttore

10 10 Per grandezze sinusoidali è Se l’andamento di B(x) fosse sinusoidale si avrebbe: valore efficace della fem indotta in un conduttore L’andameno di B(x) può essere avvicinato a quello sinusoidale agendo sulla forma della scarpa polare sulla realizzazione dell’avvolgimento di statore (passo accorciato)

11 11 x v  N S EiEi E1E1 E2E2 E=E 1 +E 2 3 – Avvolgimenti

12 12 4 poli 36 cave q = 4 cave per polo e per fase 4 conduttori per polo Macchina sincrona a poli salienti monofase   m   e    N S N S n

13 13 Macchina sincrona monofase 6 poli, 108 cave, 14 conduttori per polo

14 14

15 15 Macchina sincrona monofase - 4 poli, 36 cave, 4 conduttori per polo   m   e    N S N S E 1, E 19 E 2, E 20 E 3, E 21 E 10, E 28 E 11, E 29 E 12, E 30 20° E 4, E 22 E 13, E 31

16    E1E1 E 10 E 19 E 28 EtEt E1E1 E 10 E2E2 E 11 E3E3 E 12 E4E4 E 13 E 19 E 28 E 20 E 29 E 21 E 30 E 22 E 31 EtEt Avvolgimento monofase: numero di conduttori per polo N cp = 4 ; numero di poli p = 4 fattore di distribuzione

17 17  4 poli  q = 3 cave per polo e per fase  3  3  4 = 36 cave di statore    N S n  m = 10° Generatore sincrono a poli salienti trifase

18 18    v x B   N S B(x)B(x) E(t)E(t) D  E1E1 E2E2 E

19 19    N S n  m = 10°  e = 20° E 1, E 19 E 2, E 20 E 3, E 21 E 10, E 28 E 11, E 29 E 12, E 30 numero totale di conduttoriN t = 36 numero di conduttori per faseN f = 36/3 = 12 numero di conduttori per polo e per faseN pf = N f /p = 12/4 = 3 numero di stratis = 1 numero di conduttori in serie per ogni faseN s = N f  s = 12 Generatore sincrono trifase, 4 poli, 36 cave

20 20 E 1, E 19 E 2, E 20 E 3, E 21 E 10, E 28 E 11, E 29 E 12, E 30 20° E1E1 E 10 20° E 19 E 28 E2E2 E 20 E 11 E 29 E3E3 E 21 E 12 E 30 E 20° E    avvolgimento ondulato

21 21 E 1, E 19 E 2, E 20 E 3, E 21 E 10, E 28 E 11, E 29 E 12, E 30 20° E1E1 E 10 20° E 19 E 28 E2E2 E 20 E 11 E 29 E3E3 E 21 E 12 E 30 E 20° Avvolgimento embricato E

22 22  R EiEi EtEt    calcolo del fattore di distribuzione

23 23 N s = numero dei conduttori in serie per ogni fase K f = fattore di forma f d = fattore di distribuzione Se il numero delle cave è molto grande, (N   ), l’angolo fra due cave contigue è molto piccolo (   0)

24 24  (passo polare) =  gradi elettrici  : angolo elettrico fra i due conduttori in serie  : angolo elettrico fra due cave contigue n  : numero di cave comprese nell’angolo  n c : numero totale di cave sull’indotto n p : numero di cave per polo p : numero di poli q : numero di cave per polo e per fase N s : numero di conduttori attivi per polo e per fase E 2, E 20 E 10, E 28 E 11, E 29 E 12, E 30 NsNs  (passo polare) 

25 25 V V   / 2 avvolgimento ondulato

26 numero totale di conduttoriN t = 36 numero di conduttori per faseN f = 36/3 = 12 numero di conduttori per polo e per faseN pf = N f /p = 12/4 = 3 numero di stratis = 1 numero di conduttori in serie per ogni faseN s = N f  s = 12 avvolgimento embricato V V

27 Macchina a 4 poli, 3 cave per polo e per fase, avvolgimento ondulato

28 Macchina a 4 poli, 3 cave per polo e per fase, avvolgimento embricato

29 29  mm   N S Macchina a 4 poli, 3 cave per polo e per fase, avvolgimento ondulato: collegamenti frontali

30 V teste di avvolgimento concentrico Avvolgimento concentrico

31 31  N S Avvolgimento embricato a semplice strato (a) e a doppio strato (b) a b conduttori attivi isolamento verso massa bietta conduttore in doppio strato

32 32 armonica di ordine h come se fosse generata alla frequenza f h = h·f quindi da un rotore con numero di poli p h = h·p e l’angolo elettrico fra due cave contigue diviene 4 – Riduzione delle armoniche

33 33   E1E1 E2E2 EtEt  E1E1 E2E2 EtEt fattore di passo  = angolo elettrico fra due conduttori in serie Avvolgimenti a passo accorciato

34 34  E1E1 E2E2 E  E1E1 E2E2 fondamentale E51E51 E52E52 5 a armonica

35 35 V  60° 10° VaVa 60° 10° /9  (160°) 20° E2E2 E 20 E1E1 E 19 V 10° E1E1 E2E2 E 17 E 18 VaVa V armonica fondamentale gli angoli indicati si intendono angoli elettrici

36 36 V5V5  50° el V5aV5a 50° el 8/9  100° a armonica E 5 18 E52E52 E51E51 E ° E 5 19 E ° E52E52 E 5 20 E51E51 E 5 19 V5V5 50° passo intero passo accorciato V5aV5a E51E51 E 5 17 E52E52 E 5 18 V 5 a = 0,67 V 5

37 37 4 poli - 2 conduttori per fase – doppio strato Passaggio dal passo intero al passo accorciato passo intero passo accorciato

38 38  (passo polare) =  gradi elettrici  : angolo elettrico fra i due conduttori in serie  : angolo elettrico fra due cave contigue n  : numero di cave comprese nell’angolo  n c : numero totale di cave sull’indotto n p : numero di cave per polo p : numero di poli q : numero di cave per polo e per fase

39 39 Soppressione delle armoniche per l’armonica di ordine h si ha E h si annulla per in genere si utilizza il fattore di passo K intero qualunque hb = 2K = numero intero pari

40 40 cioè con un allungamento o un accorciamento di 1/h del passo polare (in genere un accorciamento) Con passi intermedi alcune armoniche restano fortemente attenuate; ad esempio con passo 5/6 (intermedio fra 4/5 e 6/7) per la 5 a e 7 a armonica si ha f p5 = f p7 = 0,259 ad esempio: h = 5 ; E 5 = 0 per passo di 4/5 del passo polare h = 7 ; E 7 = 0 per passo di 6/7 del passo polare poiché h è dispari, la condizione è soddisfatta ponendo la condizione è hb = 2K = numero intero pari

41 41 Fattore di avvolgimento determinati: fattore di distribuzione f d fattore di passo f p La fem indotta nell’avvolgimento è N s = numero dei conduttori in serie per ogni fase definendo fattore di avvolgimento fem indotta sul singolo conduttore nella mezzeria polare

42 42 fattore di distribuzione per l’armonica fondamentale fattore di distribuzione per l’armonica di ordine h fattore di distribuzione per l’armonica di ordine h quando il numero di cave di statore è elevato

43 43 fattore di passo per l’armonica fondamentale angolo elettrico fra due conduttori in serie fattore di passo per l’armonica di ordine h

44 44 fattore di avvolgimento per l’armonica di ordine h Fem indotta per l’armonica di ordine h   E0E0 E fattore di avvolgimento negativo

45 45 Vantaggi e svantaggi dell’avvolgimento a passo raccorciato Vantaggi : tpossibilità di annullare un’armonica o di attenuarne alcune, (la terza armonica si annulla con il collegamento a stella); accorciamento dei collegamenti frontali; Svantaggi : triduzione della f. e. m. indotta; necessità di aumentare i conduttori in serie per ciascuna fase. Il passo allungato riduce la fem indotta come il passo accorciato, ma richiede però una maggior lunghezza dei collegamenti frontali rispetto al passo intero

46 46 sollecitazioni dielettriche con gradienti di tensione relativamente elevati sollecitazioni termiche sollecitazioni meccaniche cicliche dovute: dilatazione del rame e del ferro vibrazioni dovute al moto del rotore sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti deterioramento chimico reso attivo dai valori relativamente elevati della temperatura Sollecitazioni nei materiali isolanti 5 – Isolamento

47 47 ottime qualità dielettriche elevata rigidità basse perdite dielettriche buone qualità termiche buona conducibilità termica buona resistenza al calore buone qualità meccaniche resistenza agli sforzi sufficiente elasticità resistenza all’abrasione adesione al rame buone qualità chimiche elevata stabilità chimica inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione tempo di vita elevato fabbricabilità i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed aderente al rame anche nelle parti curve costo accettabile Qualità dei materiali isolanti

48 48 leganti in resine sintetiche in poliestere o epossidiche buone caratteristiche dielettriche: elevata rigidità dielettrica perdite dielettriche basse buon comportamento nei confronti della ionizzazione ottime caratteristiche meccaniche: elevata resistenza elevata elasticità piccola dilatabilità termica ottime caratteristiche di lavorabilità possono indurirsi senza lasciare vuoti, rigonfiare, o produrre altre sostanze indesiderate ottima capacità di penetrare negli spazi della mica o nei pori del supporto una base di mica con supporto di carta, vetro, leganti asfaltici o di resine sintetiche termoindurenti supporti in vetro si ottengono nastri sottili, flessibili, inerti, porosi (adatti ad essere impregnati), resistenti alle alte temperature: ideali per l’isolamento carta di mica reperibili in grandi fogli di spessore molto regolare e notevolmente porosi nei sistemi isolanti più moderni: Materiali utilizzati nelle macchine di potenza


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