MACCHINA ASINCRONA TRIFASE

Contenuti 1 - Morfologia e sistemi di raffreddamento 2 - Circuiti magnetici 3 - Avvolgimenti 4 - Caratteristiche elettriche 5 - Diagramma circolare 6 - Rotori a gabbia 7 - Campi armonici 8 - Parametri caratteristici di una macchina 1(3) ; 2(7) ; 3(14) ; 4(30) ; 5 (48) ; 6(57) ; 7(62) ; 8(68)

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

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

Motore ad asse verticale reggispinta cuscinetti di guida

Elementi caratteristici di un motore asincrono di media potenza 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

Fmm genarata dall’avolgimento trifase di statore 2 – Circuiti magnetici V1, I1, f1 D d n0 M1 n Fmm genarata dall’avolgimento trifase di statore t Dimensioni e parametri caratteristici 2 poli 4 conduttori per polo e per fase

F statore f1 n rotore S = n0 - n flusso al traferro velocità di rotazione del campo rotante d’induttore [giri/min] f1 frequenza di statore F flusso al traferro statore frequenza di rotore scorrimento S = n0 - n scorrimento assoluto n velocità di rotazione del rotore [giri/min] rotore supponendo n° poli di statore e di rotore uguali: p1 = p2 = p

Flusso al traferro M1 n V1, I1, f1 considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro de: traferro equivalente ; con kc coefficiente di Carter di statore e rotore Ns = q N : numero di conduttori in serie per polo e per fase

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

Fmm nominale di statore Spesso la Mn viene espressa in funzione della densità lineare di corrente A [Afili/m] che rappresenta la somma dei valori efficaci delle correnti nei conduttori dell’avvolgimento per ogni unità di lunghezza della circonferenza al traferro per nfasi = 3 bc hc tc Itc: corrente totale di cava ; ac: coefficiente di utilizzazione della cava

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 sull’albero per piccole potenze, con l’interposizione di una lanterna negli altri casi.

Canali di ventilazione nel pacco statorico canali di ventilazioni pacchi magnetici elementari traferro piastra e dita pressapacco barra pressapacco lc rotore ncan = numero dei canali di ventilazione gc = fattore empirico di riduzione

3 - Avvolgimenti 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;

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

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

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 avvolgimento ondulato, 6 kV, 4 poli, 6 cave per polo e per fase

Collegamenti esterni ai morsetti Y 

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

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

Particolare dell’isolamento verso massa di una matassa nello statore di una macchina di piccola potenza Motore da 5 kW, 380 V

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

Rotore avvolto, avvolgimento embricato, in corto circuito

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

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

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

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

Motore di potenza con rotore a gabbia 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) 25

Motore di piccola potenza in esecuzione stagna Motore asincrono trifase Kw 0. 75 - 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.

4 – caratteristiche elettriche fem indotta nell’avvolgimento di rotore fem indotta in ciascuna fase del rotore fermo (n = 0) fem indotta in ciascuna fase del rotore in rotazione fem indotta a rotore fermo (s = 1) fem indotta a rotore in movimento (s  1)

Parametri elettrici dell’avvolgimento di rotore impedenza reattanza L2 induttanza R2 resistenza a rotore fermo (s = 1) a rotore in movimento (s  1)

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

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

coppia di trascinamento del rotore

Coppia in funzione dello scorrimento si suppone F = cost. (in realtà F diminuisce all’aumentare del carico per effetto della reazione d’indotto del rotore, e quindi varia con lo scorrimento) . 2 4 6 8 1 C Cmax s

Il denominatore diventa minimo per Coppia massima 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 dell’avvolgimento d’indotto.

Caratteristica meccanica 1 n0 Cmax Cavv R2a R2b R2c R2d R2a < R2b < R2c < R2d R2c = X0 coppia massima scorrimento per la coppia massima sm = R2/X0 coppia di avviamento massima per R2 = X0 (sm = 1)

Coppia in funzione del flusso (motore a 4 poli – n0 = 1500 g/min) 1500 1425 1350 1275 n (g/min) 1200 s 0,2 1,2 Fn 1,1 Fn Fn 0,9 Fn C 0,05 Cmax F scorrimento di coppia massima sm = 5%

Campo rotante d’indotto e d’induttore Fmm generata dall’avvolgimento di rotore Fmm generata dall’avvolgimento di statore n2 M2 V1, I1, f1 Velocità di rotazione del campo rotante di rotore M2 rispetto allo statore il campo rotante creato dalle correnti d’induttore (statore) e il campo rotante creato dalle correnti d’indotto (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.

Circuito equivalente R1 R2 Rp X1 X2 Xm E1 E2 V I1t I1 I2 R1 R2 Rp X1

Fattore di trasporto K NEst : numero di spire efficaci di statore (conduttori in serie per fase e per paia poli) NErt : numero spire efficaci di rotore (conduttori in serie per fase e per paia poli) fas : fattore di avvolgimento dello statore far : fattore di avvolgimento del rotore

trascurando il fattore di avvolgimento…… ( fas = far =1 ) 3 n° spire efficaci NE 6 conduttori in serie per polo e per fase 2 numero poli numero fasi 18 numero totale conduttori rotore statore 2 3 n° spire efficaci NE 4 6 conduttori in serie per polo e per fase numero poli numero fasi 24 18 numero totale conduttori rotore statore

Corrente a vuoto Iv V Ip Im Iv: corrente a vuoto Rp X1 X2 Xm E1 E2 V I1t I1 I2 Ip Im Rp Xm Iv V Iv Im Ip Iv: corrente a vuoto Ip: corrente di perdita Im: corrente di magnetizzazione Ip<<Im

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

Corrente di magnetizzazione Im considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro in assenza di saturazione poiché è anche de: traferro equivalente ; con kc coefficiente di Carter di statore e rotore

Corrente di corto circuito Rp X1 X0 Xm E1 E0 V I1t I1 I2 I0 In cto.cto. (rotore bloccato) s = 1 ; R = 0 R1 R21 X1 X01 V Icc

Rapporto fra coppia di avviamento e coppia nominale Funzionamento a carico nominale R1 R2 Rp X1 X0 Xm E1 E0 V I1t I1 I2 I0 Funzionamento allo spunto (corto circuito) R1 R2 Rp X1 X0 Xm E1 E0 V I1t I1 I2cc I0

Costruzione del diagramma circolare B I0 Icc V1 D C

Diagramma circolare – tensioni e correnti Icc V1 C j1 I21 I1 V1 : tensione ai morsetti dello statore I1 : corrente di statore I2 : corrente di rotore I21 : corrente di rotore riportata al primario (statore) tiene conto del fatto che I0 varia col carico e quindi con lo scorrimento

Diagramma circolare – potenze e perdite Icc V1 C j1 I21 I1 Pass Pr Pp retta delle potenze assorbite retta delle potenze rese Pcu Pfe

Potenza resa e perdite V1 Icc Pr Pcurot Pcustat P0 I0 O S = 1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto Pr Pcurot Pcustat P0 S = 0 S = 1

scorrimento I0 Icc V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto Pr Pcurot Ptrasmessa per una valutazione di prima approssimazione possiamo porre cosj = 1 lc : lunghezza (media) dei conduttori di rotore ; Sc : sezione (media) dei conduttori di rotore

Coppia trasmessa al rotore I0 Icc V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto Ptrasmessa C retta delle coppie

Coppia massima e coppia di avviamento I0 Icc V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto Cmax Cavv

Coppia nominale ad esempio V1 Icc Cmax Cavv Cn In I0 I0 Icc V1 perdite rame rotore perdite rame statore perdite a vuoto Cmax Cavv Cn In ad esempio

Andamento qualitativo delle caratteristiche di un motore asincrono in funzione della potenza meccanica resa sull’asse h cosj1 I1 Pp s Presa 100% Pn

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

Corrente negli anelli Ia e nelle sbarre Is : angolo elettrico fra due cave vicine Ng : numero di cave della gabbia per Ng grande, a piccolo

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

Avvolgimento di rotore a doppia gabbia Il flusso concatenato con la gabbia secondaria investe anche il traferro (m ridotta) Il flusso concatenato con la gabbia primaria investe il traferro solo parzialmente (m elevata) rotore statore gabbia secondaria Rs ; Xs gabbia primaria Rp ; Xp h resistenza di rotore R2 alla frequenza di rotore f2 (R2dc = resistenza di rotore in continua)

coppia di avviamento elevata perdite nel rame elevate Xp Rp/s R1 X1 V Icc Xs Rs/s coppia di avviamento elevata perdite nel rame elevate perdite nel rame di rotore ridotte

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

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

possono verificarsi vibrazioni se è: Vibrazioni nel rotore si possono verificare se è Vibrazioni nello statore si possono verificare se è nel rotore: C2 = 19, 21, 23, 25, 27, 29 nello statore: C2 = 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

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

Numeri ottimali di cave statoriche e rotoriche per motori asincroni 34 – 36 – 38 – 60 54 – 58 – 86 – 90 – 96 48 72 8 26 – 28 – 46 38 – 40 – 64 – 68 – 70 52 – 56 – 58 – 92 – 94 36 54 6 18 – 30 – 34 26 – 30 – 42 – 46 30 – 40 – 58 – 62 24 4 25 – 26 16 – 28 – 30 – 32 24 – 30 – 42 – 46 18 2 Cave di rotore Cave di statore Numero di poli

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

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

Motori asincroni: valori medi dei principali parametri comunicati dai costruttori I dati si riferiscono a motori costruiti a “regola d’arte”, cioè nel rispetto delle norme CEI

Percentuali di guasto rilevate dalla IEEE I guasti relativi all’avvolgimento sono quasi sempre nello statore, e sono determinati dal cedimento dell’isolamento

s C 1 -1

Motore monofase ad induzione C C1 n1 M1 n M2 n2 -C2 coppia risultante 0,2 s2 0,4 0,6 0,8 1 0,8 0,6 0,4 0,2 s1