Macchine in Corrente Continua Luca Di Rienzo

Introduzione Le macchine in corrente continua (DC) sono versatili e molto usate nell’industria. Possono operare come generatori o come motori, anche se il loro uso come generatori è piuttosto limitato, dato l’uso diffuso dell’energia elettrica in AC. Come motori sono molto comuni poiché la loro velocità può essere controllata con relativa facilità. In particolare vengono usati piccoli motori DC per realizzare dispositivi di controllo: i servomotori per il posizionamento. Lo statore di tale macchina è a poli salienti. L’avvolgimento di campo è sullo statore, quello di armatura è sul rotore. Una corrente continua percorre l’avvolgimento di campo e produce il flusso magnetico nella macchina. La tensione indotta nell’avvolgimento di armatura è alternata. Un commutatore meccanico o un convertitore AC/DC elettrico rendono la tensione dell’avvolgimento di armatura unidirezionale.

Principi di funzionamento Consideriamo una macchina a due poli. La distribuzione del flusso al traferro è quella mostrata in figura. Consideriamo un avvolgimento a-b posto sul rotore. I due morsetti sono collegati ad un anello conduttore. Due spazzole sono posizionate sui due anelli. Se il rotore è in rotazione, vengono indotte delle tensioni sui due conduttori. Essendo i due tratti di conduttore in serie, tali tensioni si sommano. La tensione complessiva eab è quindi alternata e la sua forma d’onda nello spazio è la stessa di quella del flusso al traferro.

Il Commutatore Sostituiamo i due anelli conduttori con due semianelli (che costituiscono il commutatore). Il segmento Ca è connesso al morsetto a della spira e il segmento Cb al morsetto b. Per una rotazione antioraria del rotore il morsetto sotto il polo N è positivo rispetto al morsetto sotto il polo S. Quindi la spazzola B1 è sempre connessa al morsetto positivo e la spazzola B2 al morsetto negativo. Quindi, anche se la tensione eab ai morsetti della spira è alternata, la tensione alla spazzole e12 è unidirezionale. In una macchina reale si usano molti avvolgimenti distribuiti e questi rendono la e12 molto simile ad una tensione continua.

Funzionamento come motore Nel funzionamento come motore, la corrente viene portata all’avvolgimento di rotore attraverso le spazzole, che fanno sì che la corrente abbia sempre lo stesso verso nei conduttori sotto lo stesso polo, così da avere una coppia costante:

Tensione di Armatura Quando il rotore ruota viene indotta una tensione ai morsetti dell’avvolgimento di armatura (rotore). Essa sarà data da: dove l è la lunghezza del lato dell’avvolgimento, m è la velocità meccanica, r è la distanza del conduttore dall’asse del rotore. Il valore medio di tale tensione vale: Se  è il flusso per polo, si ha che: Considerando che ci sono molti avvolgimenti distribuiti, l’espressione finale vale:

Coppia La forza su un conduttore del rotore in rotazione vale: dove ic e la corrente che lo percorre. La coppia sviluppata Tc vale: e quindi la coppia media su un conduttore è: La coppia su tutta la spira è il doppio e considerando più spire distribuite: dove Ia è la corrente di armatura, che percorre l’avvolgimento di armatura. La costante KT con buona approssimazione è uguale alla costante di armatura Ka e il bilancio delle potenze viene rispettato:

Configurazioni delle macchine DC A seconda dell’alimentazione e del collegamento degli avvolgimenti di campo e di armatura si hanno differenti configurazioni:

Collegamento in derivazione: caratteristica Coppia-Velocità Dall’analisi del circuito equivalente segue che da cui si ottiene:

Collegamento in serie: caratteristica Coppia-Velocità Il collegamento impone che . Assumendo un legame lineare tra flusso e corrente di campo: da cui . Si derivano quindi le seguenti equazioni: Dal circuito equivalente: e quindi:

Motori DC a magnete permanente (PM) Sono diventati sempre più diffusi per applicazioni che richiedono coppie relativamente basse ed un uso efficiente dello spazio. Differiscono da quelli fin qui considerati perché il campo magnetico dello statore è prodotto da poli convenientemente costituiti di materiale magnetico. Il principio di funzionamento di base, compreso quello del commutatore, è invariata rispetto al motore DC con statore avvolto. Ciò che cambia è che ora non c’è eccitazione di campo. La coppia prodotta è data da: La contro fem è data da:

Confronto tra motori DC a campo avvolto e PM I motori PM sono più piccoli e più leggeri dei motori a campo avvolto per una data potenza nominale. Inoltre hanno maggiore efficienza data la mancanza di perdite nell’avvolgimento di campo. Un ulteriore vantaggio dei motori PM è la loro caratteristica velocità-coppia essenzialmente lineare, che ne rende molto più semplice l’analisi e il controllo. Anche l’inversione della rotazione si ottiene facilmente, invertendo la polarità della sorgente. Un notevole svantaggio dei motori PM è che possono smagnetizzarsi se vengono esposti a campi magnetici elevati o a temperature troppo alte o troppo basse. Uno svantaggio meno ovvio dei motori PM è che le loro prestazioni variano da motore a motore più che nei motori avvolti, date le variazioni dei materiali ferromagnetici. Rotore Statore a magneti permanenti