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1 MACCHINA ASINCRONA TRIFASE MACCHINA ASINCRONA TRIFASE.

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Presentazione sul tema: "1 MACCHINA ASINCRONA TRIFASE MACCHINA ASINCRONA TRIFASE."— Transcript della presentazione:

1 1 MACCHINA ASINCRONA TRIFASE MACCHINA ASINCRONA TRIFASE

2 2 Contenuti 1 - Morfologia e sistemi di raffreddamentoMorfologia e sistemi di raffreddamento 2 - Circuiti magneticiCircuiti magnetici 3 - AvvolgimentiAvvolgimenti 4 - Caratteristiche elettricheCaratteristiche elettriche 5 - Diagramma circolareDiagramma circolare 6 - Rotori a gabbiaRotori a gabbia 7 - Campi armoniciCampi armonici 8 - Parametri caratteristici di una macchinaParametri caratteristici di una macchina

3 3 asse orizzontale, supporti a scudo ventilazione a circuito aperto Motori di piccola e media potenza 1 – Morfologia e raffreddamento

4 4 Motore di potenza alette di raffreddamento asse orizzontale, supporti a cavalletto, raffreddamento a circuito aperto

5 5 reggispinta cuscinetti di guida Motore ad asse verticale

6 6 L D avvolgimento di statore (induttore) conduttori attivi di rotore (indotto) ferro di rotore ventola di raffreddamento ferro di statore alette di raffreddamento alette rotanti di raffreddamento scudo di supporto cuscinetti Elementi caratteristici di un motore asincrono di media potenza

7 7 D n0n0 M1M1 n Fmm genarata dallavolgimento trifase di statore 2 poli 4 conduttori per polo e per fase Dimensioni e parametri caratteristici V 1, I 1, f 1 2 – Circuiti magnetici

8 8 velocità di rotazione del campo rotante dinduttore [giri/min] f frequenza di statore flusso al traferro statore frequenza di rotore scorrimento S = n 0 - n scorrimento assoluto n velocità di rotazione del rotore [giri/min] rotore supponendo n° poli di statore e di rotore uguali: p 1 = p 2 = p

9 9 considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro e : traferro equivalente ; con k c coefficiente di Carter di statore e rotore N s = q N : numero di conduttori in serie per polo e per fase n0n0 M1M1 n Flusso al traferro V 1, I 1, f 1

10 10 Flusso in funzione della potenza per una macchina asincrona P (HP) Wb

11 11 Spesso la M n viene espressa in funzione della densità lineare di corrente A [Afili/m] che rappresenta la somma dei valori efficaci delle correnti nei conduttori dellavvolgimento per ogni unità di lunghezza della circonferenza al traferro per n fasi = 3 bcbc bcbc hchc c c I tc : corrente totale di cava ; c : coefficiente di utilizzazione della cava Fmm nominale di statore

12 12 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 sullalbero per piccole potenze, con linterposizione di una lanterna negli altri casi.

13 13 Canali di ventilazione nel pacco statorico D/2 L canali di ventilazioni pacchi magnetici elementari traferro piastra e dita pressapacco barra pressapacco lclc rotore n can = numero dei canali di ventilazione c = fattore empirico di riduzione

14 14 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; 3 - Avvolgimenti

15 15 Esempi di cave di statore motore di piccola potenza motore da 1,2 MW, 6 kV

16 16 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

17 17 avvolgimento ondulato, 6 kV, 4 poli, 6 cave per polo e per fase Avvolgimento di statore avvolto, ondulato, 4 poli, tre cave per poli e per fase

18 18 Collegamenti esterni ai morsetti Y

19 19 L D conduttori attivi cave di statore connessioni frontali Statore di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV – avvolgimento ondulato

20 20 Statore di una macchina di piccola potenza con avvolgimento a matasse matasse isolamento verso massa della matassa

21 21 Motore da 5 kW, 380 V Particolare dellisolamento verso massa di una matassa nello statore di una macchina di piccola potenza

22 22 Rotore avvolto di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV L cave di rotore canali di raffreddamento

23 23 Rotore avvolto, avvolgimento embricato, in corto circuito

24 24 circuito esterno anelli spazzole Rotore avvolto, avvolgimento embricato, connessione ad anelli

25 25 canali di raffreddamento anelli spazzole Rotore avvolto con collegamento ad anelli (anno 1911)

26 26 conduttori attivi anelli di corto circuito Rotore a gabbia in alluminio pressofuso alette di raffreddamento Avvolgimento di rotore a gabbia

27 27 anelli di corto circuito con alette di raffreddamento Avvoglimento di rotore a gabbia in motori di piccola potenza

28 28 Motore di potenza con rotore a gabbia 25 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)

29 29 Motore di piccola potenza in esecuzione stagna Motore asincrono trifase Kw 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.

30 30 fem indotta in ciascuna fase del rotore fermo (n = 0) fem indotta in ciascuna fase del rotore in rotazione fem indotta nellavvolgimento di rotore fem indotta a rotore fermo (s = 1) fem indotta a rotore in movimento (s 1) 4 – caratteristiche elettriche

31 31 Parametri elettrici dellavvolgimento di rotore impedenza reattanza L2L2 induttanza R2R2 resistenza a rotore fermo (s = 1) a rotore in movimento (s 1)

32 32 rendimento potenza elettrica assorbita perdite rame statore perdite ferro statore potenza trasmessa al rotore perdite rame rotore potenza meccanica prodotta perdite meccaniche potenza resa P r Potenze e perdite

33 33 potenza elettrica trasmessa al rotore potenza meccanica trasmessa al rotore fem indotta a rotore fermo Coppia di trascinamento del rotore

34 34 coppia di trascinamento del rotore

35 35 Coppia in funzione dello scorrimento si suppone = cost. (in realtà diminuisce allaumentare del carico per effetto della reazione dindotto del rotore, e quindi varia con lo scorrimento) C C max s

36 36 Il denominatore diventa minimo per lo scorrimento che corrisponde alla coppia massima è dato dal rapporto fra la resistenza e la reattanza a rotore fermo dellavvolgimento dindotto. Coppia massima

37 37 C n s n0n0 C max C avv R 2a R 2b R 2c R 2d R 2a < R 2b < R 2c < R 2d R 2c = X 0 Caratteristica meccanica coppia massima scorrimento per la coppia massima s m = R 2 /X 0 coppia di avviamento massima per R 2 = X 0 (s m = 1)

38 38 C max Coppia in funzione del flusso (motore a 4 poli – n 0 = 1500 g/min) n (g/min) 1200 s 00,2 1,2 n 1,1 n n 0,9 n C 0,05 scorrimento di coppia massima s m = 5%

39 39 Velocità di rotazione del campo rotante di rotore M 2 rispetto allo statore il campo rotante creato dalle correnti dinduttore (statore) e il campo rotante creato dalle correnti dindotto (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. Campo rotante dindotto e dinduttore n M1M1 n0n0 Fmm generata dallavvolgimento di rotore Fmm generata dallavvolgimento di statore n2n2 M2M2 V 1, I 1, f 1 n

40 40 R1R1 R2R2 RpRp X1X1 X0X0 XmXm E1E1 E0E0 V I1tI1t I1I1 I2I2 Circuito equivalente R1R1 R2R2 RpRp X1X1 X2X2 XmXm E1E1 E2E2 V I1tI1t I1I1 I2I2

41 41 Fattore di trasporto K NE st : numero di spire efficaci di statore (conduttori in serie per fase e per paia poli) NE rt : numero spire efficaci di rotore (conduttori in serie per fase e per paia poli) f as : fattore di avvolgimento dello statore f ar : fattore di avvolgimento del rotore

42 42 33n° spire efficaci NE 66conduttori in serie per polo e per fase 22numero poli 33numero fasi 18 numero totale conduttori rotorestatore 23n° spire efficaci NE 46conduttori in serie per polo e per fase 22numero poli 63numero fasi 2418numero totale conduttori rotorestatore trascurando il fattore di avvolgimento…… ( f as = f ar =1 )

43 43 IpIp ImIm RpRp XmXm IvIv V IvIv ImIm IpIp R1R1 R2R2 R RpRp X1X1 X2X2 XmXm E1E1 E2E2 V I1tI1t I1I1 I2I2 I v : corrente a vuoto I p : corrente di perdita I m : corrente di magnetizzazione I p <

44 44 Perdite a vuoto Perdite a vuoto sincrono (scorrimento nullo) perdite nel ferro primario Perdite a vuoto effettivo (coppia resa nulla) perdite nel ferro primario perdite meccaniche C p = cifra di perdita a 1T e frequenza nominale [W] P n = potenza nominale [W] n = velocità di rotazione [giri/min]

45 45 considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro in assenza di saturazione poiché è anche e : traferro equivalente ; con k c coefficiente di Carter di statore e rotore Corrente di magnetizzazione I m

46 46 R1R1 R2R2 RpRp X1X1 X0X0 XmXm E1E1 E0E0 V I1tI1t I1I1 I2I2 I0I0 Corrente di corto circuito In cto.cto. (rotore bloccato) s = 1 ; R = 0 R1R1 R 21 X1X1 X 01 V I cc

47 47 R1R1 R2R2 RpRp X1X1 X0X0 XmXm E1E1 E0E0 V I1tI1t I1I1 I 2cc I0I0 R1R1 R2R2 RpRp X1X1 X0X0 XmXm E1E1 E0E0 V I1tI1t I1I1 I2I2 I0I0 Rapporto fra coppia di avviamento e coppia nominale Funzionamento a carico nominale Funzionamento allo spunto (corto circuito)

48 48 O O A B I0I0 I cc V1V1 D C Costruzione del diagramma circolare 5 – diagramma circolare

49 49 O O A I0I0 I cc V1V1 C I 21 I1I1 Diagramma circolare – tensioni e correnti tiene conto del fatto che I 0 varia col carico e quindi con lo scorrimento V 1 : tensione ai morsetti dello statore I 1 : corrente di statore I 2 : corrente di rotore I 21 : corrente di rotore riportata al primario (statore)

50 50 O O A I0I0 I cc V1V1 C I 21 I1I1 P ass PrPr PpPp retta delle potenze assorbite retta delle potenze rese P cu P fe Diagramma circolare – potenze e perdite

51 51 O I0I0 I cc V1V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto PrPr P curot P custat P0P0 S = 0 S = 1 Potenza resa e perdite

52 52 0 I0I0 I cc V1V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto PrPr P curot P trasmessa scorrimento l c : lunghezza (media) dei conduttori di rotore ; S c : sezione (media) dei conduttori di rotore per una valutazione di prima approssimazione possiamo porre cos = 1

53 53 0 I0I0 I cc V1V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto P trasmessa C retta delle coppie Coppia trasmessa al rotore

54 54 0 I0I0 I cc V1V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto C max C avv Coppia massima e coppia di avviamento

55 55 0 I0I0 I cc V1V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto C max C avv CnCn InIn ad esempio Coppia nominale

56 56 cos I1I1 PpPp s P resa 0 100% PnPn Andamento qualitativo delle caratteristiche di un motore asincrono in funzione della potenza meccanica resa sullasse

57 57 il numero dei poli è sempre imposto alla gabbia dal campo di statore. lavvolgimento 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. conduttori attivi anelli di corto circuito Rotore a gabbia in alluminio pressofuso alette di raffreddamento 6 – rotori a gabbia

58 58 IsIs IaIa Corrente negli anelli I a e nelle sbarre I s per N g grande, piccolo IaIa IaIa IsIs : angolo elettrico fra due cave vicine N g : numero di cave della gabbia IaIa IaIa IsIs

59 59 Sezioni tipiche di conduttori per avvolgimenti a gabbia gabbia doppia gabbia semplice

60 60 Avvolgimento di rotore a doppia gabbia resistenza di rotore R 2 alla frequenza di rotore f 2 (R 2dc = resistenza di rotore in continua) rotore statore gabbia secondaria R s ; X s gabbia primaria R p ; X p h 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)

61 61 R p /sXpXp perdite nel rame di rotore ridotte R1R1 X1X1 V I cc XsXs R s /s perdite nel rame elevatecoppia di avviamento elevata

62 62 h : ordine dellarmonica k : intero positivo (k = 1 per il campo principale) : angolo elettrico relativo allo sviluppo in serie di Fourier Nella macchina asincrona possono essere presenti forti campi armonici: 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 7 – campi armonici

63 63 C min n C s = 0 Coppie parassite asincrone Si possono originare insellature della curva di coppia con un minimo C min 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.

64 64 Vibrazioni Vibrazioni nel rotore si possono verificare se è Vibrazioni nello statore si possono verificare se è nel rotore: C 2 = 19, 21, 23, 25, 27, 29 nello statore: C 2 = 18, 22, 26, 30 possono verificarsi vibrazioni se è: esempio: p = 4 e C1 = 24 a 50 Hz la frequenza delle vibrazioni è in ogni caso di 600 p/s

65 65 Va tuttavia sottolineato il fatto che i fenomeni vibratori possono essere causati anche da squilibri meccanici e da squilibri elettromagnetici. per eliminare questi inconvenienti è necessario scegliere opportunamente il numero delle cave di rotore, inclinare le cave rispetto allasse 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. Provvedimenti per ridurre i fenomeni indesiderati

66 66 34 – 36 – 38 – – 58 – 86 – 90 – – 28 – – 40 – 64 – 68 – – 56 – 58 – 92 – – 30 – – 30 – 42 – – 40 – 58 – – – 28 – 30 – – 30 – 42 – Cave di rotore Cave di statore Numero di poli Numeri ottimali di cave statoriche e rotoriche per motori asincroni

67 67 Motore di piccola potenza con rotore a gabbia cave di rotore inclinate rispetto a quelle di statore

68 68 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 Parametri da specificare per il progetto di una macchina asincrona 8 – parametri caratteristici di una macchina

69 69 Motori asincroni: valori medi dei principali parametri comunicati dai costruttori I dati si riferiscono a motori costruiti a regola darte, cioè nel rispetto delle norme CEI

70 70 Percentuali di guasto rilevate dalla IEEE I guasti relativi allavvolgimento sono quasi sempre nello statore, e sono determinati dal cedimento dellisolamento

71 71 s C 1 0

72 72 C C1C1 -C 2 s1s1 Motore monofase ad induzione n1n1 M1M1 n M2M2 n2n2 10,8 0,6 0,40,20 0,4 0,8 s2s2 0,6 coppia risultante


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