Nome: Alessandro Severi Classe: V Sezione: Ael

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1 Nome: Alessandro Severi Classe: V Sezione: Ael
Oggetto: Tesina per diploma di elettrotecnica Argomento trattato: Macchina in corrente continua Materia: Elettrotecnica Nome: Alessandro Severi Classe: V Sezione: Ael

2 Macchina CC Dinamo Motore Struttura della macchina in C.C
Tipi di eccitazioni Dinamo Principio di funzionamento Funzionamento a vuoto Espressione della f.e.m a vuoto Funzionamento a carico, la reazione d’indotto La commutazione (poli ausiliari e avvolgimenti compensatori) Curve caratteristiche (Caratteristica esterna della dinamo) Bilancio delle potenze Rendimento Motore

3 Macchina in corrente continua:
Macchina: 1)Struttura della macchina 2)Tipi di eccitazione Il generatore: Funzionamento della macchina come generatore in c.c. (dinamo). 1)Principio di funzionamento 2) funzionamento a vuoto 3)Funzione a carico, la reazione d’indotto 4)La commutazione 5)Curve caratteristiche della dinamo 6)Bilancio delle potenze 7)Rendimento Il motore: Breve illustrazione del funzionamento della macchina come motore in c.c. 1)Basi del motore 2)Parti fondamentali e funzionamento 3)motore a magneti permanenti 4)Motore con statore a filo avvolto 5)motore universale

4 Macchina a corrente continua: Le macchine elettriche generatrici, si basano tutte sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Esse comprendono sempre, un sistema induttore (sistema destinato a produrre un campo magnetico) e un sistema indotto (sistema che subisce il campo magnetico) Nei generatori in corrente continua l’indotto è una parte mobile e l’induttore è un a parte fissa, questo fa si che si possa poi generare una f.e.m. indotta. La macchina in corrente continua si può ridurre ad un sistema di conduttori rettilinei, disposti lungo le un cilindro ruotante con velocità costante in un campo magnetico. Quando uno dei conduttori, taglia le linee di induzione di un campo uniforme, con velocità costante esso diviene sede di una f.e.m. indotta ( ) E = B l Ω

5 Sistema induttore delle macchine a corrente continua

6 Struttura della macchina C.C
Le parti che principalmente costituiscono la macchina in c.c. sono: Rotore: è montato sull’albero in modo da ruotare con esso, è di forma cilindrica. Comprende: un nucleo magnetico laminato dotato di cave, un avvolgimento elettrico (indotto) distribuito nelle cave, e il collettore a lamelle, collegato elettricamente all’avvolgimento indotto Statore: è la parte fissa della macchina e comprende il nucleo magnetico e l’avvolgimento di eccitazione(detto induttore. E’ alimentato in corrente continua e ha il compito di creare il campo magnetico induttore) Albero: Nel funzionamento da motore l’albero è connesso al carico meccanico, mentre nel funzionamento da generatore, l’albero è collegato al motore primo, da cui riceve potenza meccanica Rivestimento esterno: formato in parte dallo statore, e da vari altri elementi (piedi per il fissaggio, scatola dei contatti ecc.) Sistema di raffreddamento: Presente nelle macchine di elevata potenza, e di struttura chiusa

7 Nucleo magnetico statorico: è costituito da un cilindro cavo, all’interno dei quali vi sono i poli. Ha una duplice funzione, meccanica e magnetica, per questa ragione il materiale impiegato nella sua costruzione deve avere buone caratteristiche di resistività meccaniche, e di permeabilità magnetica. Dato che il flusso magnetico che interessa lo statore è costante nel tempo, non si verificano fenomeni di isteresi magnetica e circolazione di correnti parassite; per questo motivo la costruzione dello statore viene fatta con materiali ferromagnetici massicci. I poli induttori sono fissati alla parte interna della carcassa e sono costituiti da un nucleo polare e da una espansione polare. Attorno ad ogni nucleo è avvolta una bobina di campo. Il flusso del polo è anch’esso costante se non viene variata la corrente di eccitazione, e quindi può essere costituito da materiale ferromagnetico massiccio. Solitamente però l’espansione polare viene sempre laminata a causa della variazione di flusso dovuta all’alternanza dente cava. Nucleo magnetico rotorico: Ha una forma cilindrica, e ha il compito di consentire la chiusura delle linee di flusso e di alloggiare i conduttori dell’avvolgimento rotorico (detto anche avvolgimento d’indotto o di armatura) all’interno delle apposite cave. A causa della rotazione il nucleo rotorico è percorso da un flusso magnetico rapidamente variabile nel tempo, e quindi, è soggetto a fenomeni di isteresi magnetica e di circolazione di correnti parassite. Per questa ragione viene costruito in lamierini ferromagnetici Circuito indotto del generatore in c.c.: I conduttori distribuiti lungo le generatrici del cilindro, e opportunamente collegati tra loro, costituiscono l’avvolgimento indotto o armatura della macchina. Avvolgimento indotto( o di armatura): è distribuito nelle cave rotoriche e, portato in rotazione dal rotore, diventa sede di tensioni indotte alternate che costituiscono: le f..e.m. nel funzionamento da generatore, e le forze contro elettromotrici (f.c.e.m) quando la macchina funziona da motore. Avvolgimento indotto ad anello: Su una periferica di un anello di ferro distribuiamo uniformemente 12 conduttori rettilinei, e li colleghiamo tra loro, in modo che si vengano a formare 12 spire, avvolte uniformemente sull’anello con un lato sulla generatrice interna, e l’altro su quella esterna. I conduttori esterni durante la rotazione tagliano le linee di induzione del campo induttore, diventando sede di altrettante f.e.m. indotte. Invece nei conduttori interni, non si genera alcuna f.e.m. indotta. I conduttori interni vengono anche chiamati conduttori inattivi, ed hanno come unico scopo, collegare fra loro i conduttori attivi disposti l’ungo le generatrici esterne dell’anello.

8 Avvolgimento induttore: Detto anche avvolgimento di campo, l’avvolgimento induttore, ha il compito di creare il campo magnetico principale della macchina. In base al tipo di alimentazione adottata per il circuito di eccitazione, le macchine a corrente continua si dividono in due categorie: Macchine con eccitazione indipendente Macchine autoeccitate.

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10 I conduttori esterni durante la rotazione tagliano le linee di induzione del campo induttore, diventando sede di altrettante f.e.m. indotte. Invece nei conduttori interni, non si genera alcuna f.e.m. indotta. I conduttori interni vengono anche chiamati conduttori inattivi, ed hanno come unico scopo, collegare fra loro i conduttori attivi disposti l’ungo le generatrici esterne dell’anello.

11 Figura 2) Dinamo con eccitazione indipendente
1) Eccitazione indipendente: gli avvolgimenti che creano le polarità (2 poli, 4, 6 poli o più) sono alimentati da una sorgente in corrente continua separata dal circuito di armatura della macchina. Si tratta di molte spire di piccola sezione, e quindi di resistenza non trascurabile: la costante di tempo dell’avvolgimento induttore τ = Le/Re è piuttosto elevata, a causa della presenza del ferro e dell’elevato numero di spire (fig. 2). La variazione della corrente di eccitazione e, conseguentemente, del flusso generato, avviene mediante il reostato di campo Rc o direttamente variando il modulo della tensione di alimentazione (ad esempio mediante un circuito convertitore ad SCR). Figura 2) Dinamo con eccitazione indipendente Macchine autoeccitate: La potenza necessaria per l’eccitazione è fornita dalla macchina stessa e i due avvolgimenti, induttore e indotto, sono collegati fra loro, con una di queste modalità: 1)Eccitazione derivata: la sua alimentazione è prelevata direttamente ai capi delle spazzole della macchina (in derivazione alle spazzole). All’avvio i conduttori di indotto che tagliano il pur debole flusso dovuto al magnetismo residuo sono sede di f.e.m. e quindi di corrente indotta, che si autoesalta e rinforza man mano il flusso stesso, fino a raggiungere il valore di f.e.m. che compete alla velocità di rotazione e alla condizione di saturazione, imposta indirettamente dal valore della resistenza complessiva del circuito di eccitazione e quindi dalla corrente relativa. Figura 3) Eccitazione in derivazione, con il reostato di campo Rc posto in serie.

12 2)Eccitazione in serie: il circuito di eccitazione e quello di armatura sono posti in serie e quindi sono percorsi dalla stessa corrente. Pertanto qui occorrono poche spire per la produzione della tensione magnetica, ma con sezione che sopporti tutta la corrente del carico alimentato dalla dinamo (fig.4) La variazione delle amperspire avviene di solito mediante un reostato di campo posto in parallelo all’eccitazione (con alta resistenza del reostato di campo inserita, si ha maggior corrente di eccitazione e quindi maggior flusso prodotto. La macchina si può autoeccitare solamente con circuito chiuso su un utilizzatore Ru. Figura 4) Eccitazione in serie 3)Eccitazione composta: coesistono sia un circuito di eccitazione in serie che in parallelo, distinti fra loro. Quello di fig.5 è detto a corta derivazione, per distinguerlo dalla lunga derivazione, in cui un capo dell’eccitazione in parallelo è derivato all’uscita di quello in serie. Figura 5) Eccitazione composta a corta derivazione

13 Macchina in corrente continua

14 Dinamo Sulla parte fissa della macchina, costituita da un anello di acciaio o ghisa, sono montati i poli, il cui flusso è prodotto da appositi avvolgimenti detti di eccitazione. La corrente di eccitazione è una corrente continua, il cui valore può essere variato per modificare il flusso prodotto dalle espansioni polari. L’indotto o armatura, è costituito dai conduttori, disposti generalmente in matasse. Il collettore è formato da lamelle in rame, isolate tra loro. Il collettore viene messo sul supporto rotante e, mediante delle forcelle ad esso collegate, si esegue la saldatura fra l’avvolgimento indotto e il collettore stesso. L’albero e il circuito magnetico di indotto vengono laminati per poter ridurre le correnti parassite conseguenti al taglio del flusso. La carcassa dello statore non viene laminata perchè non è sottoposta a variazioni, essendo costante il flusso di eccitazione. In realtà viene laminata solo la scarpa polare, sottoposta a una continua e rapida variazione dovuta all’alternanza dente-cava.  Una semplice costruzione di dinamo, costruttivamente identica ad un motore DC

15 Dinamo Principio di funzionamento
La dinamo è una macchina elettrica rotante, che converte l’energia meccanica, ricevuta da un motore di trascinamento, in energia elettrica, con tensione e corrente unidirezionali e possibilmente costanti nel tempo. La macchina, può passare con continuità dalla funzione di motore a quella di generatore. Per comprendere il principio di funzionamento della macchina generatrice di corrente continua, si esamini la fig.1, che schematizza la generazione di f.e.m. in una spira che ruota in un campo magnetico.  Fra gli estremi della spira, saldati a due anelli rotanti con la spira stessa, è disponibile una f.e.m. alternata, che riteniamo sinusoidale. La f.e.m. è resa disponibile ai capi delle spazzole che strisciano sui due anelli. Se Ω è la velocità di rotazione costante della spira, velocità che viene imposta per esempio da un motore primo, e se si indica con R il raggio del cilindro rotante e l è la lunghezza del lato attivo della spira, l’ampiezza della tensione sinusoidale generata da un lato attivo è:                                                                                EM = B l Ω R Figura 1) Ai capi della spira rotante a velocità costante, che taglia le linee del campo di induzione B, nasce una f.e.m. di tipo alternativo sinusoidale. E’ il principio del generatore di c.a.

16 Come ottenere una sorgente di tensione unidirezionale e costante:
Come ottenere una sorgente di tensione unidirezionale e costante: Il problema fu risolto da Pacinotti, con l’avvolgimento indotto ad anello. Per comprenderne l’impiego, si sostituiscano i due anelli della fig.1 con due semi-anelli, isolati fra loro, come è indicato in fig.2. Gli estremi della spira rotante sono saldati ai due settori, su cui poggiano le due spazzole fisse. Tramite le spazzole si alimenta l’utilizzatore (una lampada ad incandescenza, nel nostro caso). Ad ogni mezzo giro la f.e.m. che si preleva è variabile, ma unidirezionale: i due semi-anelli fungono da raddrizzatore meccanico, cioè si rovescia la parte negativa della semionda (Il meccanismo di conversione è evidenziato dalla fig.3). Figura 2) La rotazione della spira fra le espansioni polari genera una f.e.m. risultante che, prelevata alle spazzole che poggiano sui due semianelli (collettore), è di tipo unidirezionale, seppur variabile.

17 Per vedere cosa accade durante la rotazione, si devono guardare, con la figura 3, i versi delle f.e.m. indotte e della corrente nei due lati attivi della spira, di cui sono rappresentate le sezioni circolari dei conduttori, nonché la posizione dei semi-anelli del collettore. In figura si nota anche il collegamento frontale fra il conduttore attivo e il proprio semi-anello. Per ottenere una f.e.m. unidirezionale, ma il più possibile costante, basta aumentare il numero dei conduttori distribuiti sulla circonferenza dell’indotto e, di conseguenza, il numero dei settori del raddrizzatore. L’insieme di questi settori, in rame,viene detto collettore a lamelle Figura 3) Produzione di una f.e.m. di tipo unidirezionale. Il cilindro dell’indotto è trascinato in rotazione oraria, a velocità costante, da un motore.

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19 Lo sfasamento dipende dalla posizione dei conduttori utilizzati: essendo diverse le posizioni, è diverso anche l’istante in cui la f.e.m. di ogni conduttore sarà massima oppure nulla. Il verso delle f.e.m. indotte dalle variazioni di flusso, in ciascun conduttore attivo, si determina con la regoletta pratica della mano destra (pollice-velocità, indice-induzione, medio-fem). Ogni conduttore è sede di f.e.m. di tipo sinusoidale, con valore massimo che si raggiunge quando passa nella posizione dell’asse o-o. Il valore nullo di f.e.m. si raggiunge invece quando i conduttori transitano sull’asse verticale v-v di figura. L’asse verticale viene detto asse neutro, perché lì i conduttori, non sono soggetti a taglio di flusso. Ed è in questa posizione, di tensione nulla e di inversione del senso della corrente, che si preleva la f.e.m. che vi è fra le spazzole. La figura 4 indica un modo apparentemente strano nell’eseguire i collegamenti fra i conduttori attivi disposti sulle generatrici del cilindro rotante. Avvolgimento a tamburo: si collega il conduttore 1 con il conduttore opposto al 2, in modo da raccogliere la somma vettoriale più alta possibile delle rispettive f.e.m.. Nella parte frontale, dal lato del collettore, si collegano i conduttori 6 e 3 fra loro con una lamella. La restante successione è rappresentata e scritta in fig.4, in cui sono evidenziati i collegamenti frontali anteriori e posteriori. Questi collegamenti servono ad assicurare la continuità del circuito, ma non sono conduttori attivi, perché non tagliano il flusso. Figura 4) Indotto a tamburo che schematizza l’impiego di 8 conduttori attivi. Il verso delle correnti è riferito alla rotazione in senso orario dell’indotto, nel campo induttore prodotto da una coppia di poli collocata come nelle figure precedenti

20 Nella fig.5 sono rappresentati i vettori corrispondenti alle singole f.e.m. . A sinistra i vettori associati alle singole sinusoidi corrispondono alla posizione dei conduttori disegnata in fig.4. La somma delle f.e.m. in una via interna (e1+e6+e3+e8) coincide con la sommatoria dell’altra via interna (e4+e7+e2+e5). Fra la spazzola positiva e quella negativa si raccoglie la EMax, che in questa posizione del rotore è massima. Quando il rotore ruota di 22,5° (1/16 di giro) la f.e.m. raggiunge il valore minimo Emin (i vettori a destra nella fig.5) La f.e.m. totale, disponibile ai capi delle spazzole, varia di poco fra questi due valori, ma non è ancora del tutto continua. E’ chiaro che l’aumento del numero dei conduttori sull’indotto e il corrispondente aumento delle lamelle del collettore, porta ad una f.e.m. le cui variazioni temporali diventano bassissime, e si può dire che genera tensione continua, cioè costante nel tempo. Figura 5):Andamento temporale della f.e.m. risultante, indotta in una dinamo con 8 conduttori attivi disposti sulla parte rotante della macchina.

21 Avvolgimento a tamburo: si collega il conduttore 1 con il conduttore opposto al 2, in modo da raccogliere la somma vettoriale più alta possibile delle rispettive f.e.m.. Nella parte frontale, dal lato del collettore, si collegano i conduttori 6 e 3 fra loro con una lamella. La restante successione è rappresentata e scritta nella figura sovrastante, in cui sono evidenziati i collegamenti frontali anteriori e posteriori. Questi collegamenti servono ad assicurare la continuità del circuito, ma non sono conduttori attivi, perché non tagliano il flusso.

22 Fra la spazzola positiva e quella negativa si raccoglie la EMax, che in questa posizione del rotore è massima. Quando il rotore ruota di 22,5° (1/16 di giro) la f.e.m. raggiunge il valore minimo Emin (i vettori a destra nella fig.5). Figura 5):Andamento temporale della f.e.m. risultante, indotta in una dinamo con 8 conduttori attivi disposti sulla parte rotante della macchina.

23 Se si tagliasse l’avvolgimento indotto (detto anche di armatura) e si disponesse su un piano, si otterrebbe la fig.6, In fig.6 sono visibili i percorsi della corrente nelle due vie interne dell’avvolgimento. Quando un conduttore passa sul neutro, che separa il polo N dal polo S, il conduttore non è sottoposto a variazioni di flusso e si ha l’inversione della corrente. Le spazzole vanno collocate nel piano di divisione dei poli, detto piano di commutazione, o interpolare o piano delle spazzole. con dinamo a vuoto, purché mantenuta in rotazione, le due vie interne concorrono con due f.e.m. ugali e in opposizione e pertanto non vi è circolazione di corrente. Figura 6) Disposizione su un piano delle parti essenziali della macchina a corrente continua. I conduttori tagliano, a velocità costante v, le linee del campo magnetico prodotte dalla coppia fissa di poli N-S.

24 Figura 7) Caratteristica di magnetizzazione della dinamo
Funzionamento a vuoto Una dinamo funziona a vuoto solo quando si verificano le seguenti condizioni: Il motore primo fa ruotare la macchina a una certa velocità, costante nel tempo L’avvolgimento di eccitazione è percorso da corrente e crea il campo magnetico induttore L’avvolgimento indotto è aperto e quindi non viene erogata alcuna corrente al carico esterno, anche se tra i morsetti è presente la tensione a vuoto Eo, legata alla corrente di eccitazione. La dinamo non fornisce potenza elettrica al carico esterno. Per generare il flusso, si utilizzano gli avvolgimenti o bobine di magnetizzazione le quali, percorse da una corrente continua, variabile mediante un reostato di campo, o direttamente modificando la tensione al circuito di eccitazione, modificano il flusso secondo quello che è la curva media di magnetizzazione (fig.7) La curva di magnetizzazione, o caratteristica a vuoto della macchina a corrente continua, viene ricavata a velocità di rotazione costante. La caratteristica a vuoto riporta l’andamento della f.e.m. indotta ai capi delle spazzole, con circuito indotto aperto, e quindi in assenza di corrente erogata. La curva parte da un valore non nullo di f.e.m., esistente in assenza di corrente magnetizzante, a causa del magnetismo residuo. Al crescere della corrente di eccitazione cresce, inizialmente in modo pressoché lineare, anche la f.e.m. Eo. All’aumentare dell’eccitazione si giunge alla saturazione, zona nella quale il flusso cresce lentamente e con elevati apporti della corrente. La macchina viene normalmente fatta funzionare intorno al ginocchio, nella zona che precede di poco l’inizio della saturazione. Figura 7) Caratteristica di magnetizzazione della dinamo

25 Nel funzionamento normale la corrente di eccitazione viene regolata in modo che il punto di lavoro della macchina si trovi subito dopo il ‘’ginocchio’’ della caratteristica, per evitare sia il funzionamento nel tratto iniziale, in cui la macchina è molto sensibile alle variazioni della corrente Ie, che il funzionamento in saturazione, per il quale si richiede un elevato valore di Ie e, quindi, elevata potenza di eccitazione. Caratteristica a vuoto (o di magnetizzazione) della macchina a corrente continua Per ogni valore della velocità si ha un diverso andamento della caratteristica a vuoto. A parità di Ie il valore di Eo aumenta all’aumentare della velocità considerata. Confronto tra le caratteristiche a vuoto relative a tre diversi valori di velocità

26 Espressione della f.e.m. generata a vuoto dalla dinamo
Dalla legge dell’induzione elettromagnetica si può dedurre che la forza elettromotrice generata dipende dal flusso Φ prodotto dai poli induttori, dal numero N dei conduttori utili dell’indotto e dalla velocità angolare Ω dello stesso indotto, secondo l’espressione: E = k Φ N Ω in cui la costante ‘k’è legata, in base alla seguente relazione, al numero di coppie di vie interne "a" e al numero di coppie di poli "p", per cui l’espressione generale della f.e.m. generata si scrive: La f.e.m. generata a vuoto è quindi legata al flusso induttore e alla velocità di rotazione. Il flusso si può modificare mediante la variazione della corrente di eccitazione, a parità di velocità di rotazione dell’indotto.

27 Funzionamento a carico La reazione d'indotto
Asse neutro Nel funzionamento a vuoto della macchina, ovvero ad una certa velocità di rotazione ma senza collegare alcun carico alle spazzole, nei conduttori di armatura vi è solo la presenza di f.e.m. detta Eo, ma non vi è passaggio di corrente. In fig.8, pertanto, i punti e le crocette stanno ad indicare i versi della Eo a vuoto e le linee del campo induttore sono ritenute orizzontali, a formare un campo magnetico pressoché uniforme, dove l’asse neutro è perpendicolare alle linee di flusso. Figura 8) Flusso esistente a vuoto, creato dai poli induttori. I versi indicati sono riferiti alle f.e.m. Quando viene messo un carico alle spazzole, il circuito interno della macchina e la f.e.m. alla spazzole impongono il passaggio della corrente: si produce così nel circuito magnetico d’indotto un campo magnetico trasverso rispetto a quello induttore (l’azione dei singoli conduttori, ognuno percorso da corrente come in fig.9). Il campo indotto, quello di fig.9, crea sostanzialmente un altro campo , perpendicolare a quello di eccitazione, con le polarità N’ e S’ indotte visibili in figura. Figura 9) Flusso indotto generato dai conduttori percorsi da corrente. Si formano le polarità indotte N' e S'

28 Il sovrapporsi di questi due campi dà luogo al fenomeno di reazione d’indotto, che consiste nella formazione di un campo magnetico risultante che, come si intravede in fig.9, è distorto nel senso della rotazione: Nei semipoli di uscita (Nu, Su), si ha un addensamento delle linee di flusso, per cui il flusso magnetico risulta rinforzato. Nei semipoli di entrata (Ne, Se), le linee di flusso sono opposte a quelle del campo induttore, per cui il campo magnetico risulta indebolito, e si ha una rarefazione di flusso. A causa della saturazione magnetica prevale però l’indebolimento rispetto all’addensamento delle linee, per cui il flusso risultante a carico risulta diminuito, rispetto a quello che c’è a vuoto. Anche la f.e.m. generata a carico sarà di conseguenza ridotta: si considera una caduta di tensione interna che tenga conto del fenomeno di reazione d’indotto (c.d.t. per reazione d’indotto). Asse neutro Figura 9) Distorsione del flusso risultante nel senso della rotazione, con addensamento sotto ai semipoli d'uscita e rarefazione delle linee di flusso sotto ai semipoli d'entrata.

29 La commutazione E' l’insieme dei fenomeni che si manifestano durante l’inversione della corrente in una sezione dell’indotto, nel passaggio delle lamelle del collettore sotto una spazzola (fig.10). Per un istante la spazzola resta in contatto con almeno due lamelle, cosicché una o più sezioni sono chiuse in corto circuito (in fig.10 la spazzola sulle lamelle 1 e 2 e la spira rossa è corto circuitata). Possono manifestarsi degli scintillii nell'istante in cui la lamella abbandona la spazzola. Infatti la sezione in corto circuito possiede una induttanza per cui, al variare della corrente, diventa sede di una f.e.m. che contrasta la variazione della corrente. A causa inoltre della distorsione del flusso dovuta dalla reazione d'indotto, la commutazione non avviene nel piano neutro, ma in presenza ancora di flusso: nelle spire in commutazione si genera pertanto una f.e.m. per la rotazione dell’indotto. Come conseguenza si produce una forte scintilla nell'istante in cui la lamella del collettore abbandona il bordo della spazzola e si ha un forte riscaldamento. La fig.10 mostra i successivi istanti di commutazione, quando la spazzola passa dalla lamella 1 alla lamella 2. La spira in cui avviene l’inversione è quella colorata in rosso. In figura le correnti hanno i valori riferiti a una commutazione lineare, ma a causa dell’induttanza delle spire i ritardi d’inversione portano a scintillii inevitabili. L’unico modo per migliorare notevolmente la commutazione è quello di riportare il campo magnetico risultante all’andamento a vuoto, eliminando le distorsioni di flusso. Provvedimenti per migliorare la commutazione - Riduzione della f.e.m. indotta nelle spire in commutazione: a) formare le sezioni col minimo numero possibile di spire, in modo da ridurne l'induttanza; b) adottare cave aperte in modo da aumentare la riluttanza del circuito magnetico. Figura 10) L'inversione della corrente nella spira in commutazione durante la rotazione del collettore. Nella commutazione lineare, dalla spazzola esce sempre la corrente I/2 + I/2 = I . La spira in commutazione è quella saldata alle lamelle 1-2.

30 - Poli ausiliari e avvolgimenti compensatori
I poli ausiliari (o poli di commutazione) sono poli supplementari destinati a migliorare la commutazione ed evitano lo spostamento del piano delle spazzole al variare del carico. Sono eccitati dalla corrente di carico e devono avere lo stesso nome del polo verso cui stanno per entrare i conduttori d'armatura. Servono a ricondurre il piano neutro nella posizione di funzionamento a vuoto e inoltre creano un piccolo flusso sufficiente a generare una f.e.m. che compensa quella che ostacola la commutazione. Vengono messi in corrispondenza delle polarità create dal campo magnetico (N’, S’) , per annullarne gli effetti, devono quindi avere le stesse polarità. Gli avvolgimenti compensatori, percorsi dalla stessa corrente del carico, sono situati in cave poste sulle espansioni polari dell’induttore e servono ad eliminare gli effetti della distorsione di flusso. Vengono di solito costruiti solo per macchine di grande potenza. Si sottolinea che gli avvolgimenti dei poli ausiliari e quelli compensatori sono percorsi dalla corrente del carico: ciò comporta un adattamento agli effetti dovuti ai campi di disturbo. Una attenta scelta degli accorgimenti descritti può portare anche alla commutazione praticamente priva di scintillio sul collettore, ma i costi di realizzazione e di manutenzione sono molto elevati. Figura:dinamo con poli ausiliari

31 4.1 Curve caratteristiche della dinamo
Fra le curve caratteristiche della macchina generatrice in continua vi sono: - la curva di magnetizzazione o curva a vuoto Eo(Ie), che va rilevata in maniera sperimentale, rendendo sempre separato il circuito di eccitazione, cioè alimentandolo con una sorgente esterna. La velocità di rotazione deve essere mantenuta costante. Dapprima si rileva la caratteristica ascendente, aumentando la corrente di eccitazione dal valore nullo fino al valor massimo stabilito, solo per valori crescenti; la caratteristica discendente si ottiene diminuendo sempre la corrente, fino ad annullarla. Si ricava la caratteristica di magnetizzazione dalla media fra i valori delle caratteristiche ascendente e discendente - La caratteristica esterna U(I), che riporta l’andamento della tensione ai morsetti dell’utilizzatore, al variare della corrente assorbita dal carico stesso, mantenendo costante la velocità di rotazione e la corrente di eccitazione. Si inizia il rilievo della curva portando la dinamo alla condizione nominale di carico. Successivamente si diminuisce la corrente erogata, aumentando la resistenza dell’utilizzatore. L’ultimo punto si esegue a vuoto, interrompendo l’alimentazione al carico. La corrente di eccitazione Ie che si è prodotta per realizzare la condizione nominale di carico non deve più essere variata per gli altri punti di misura.     Il legame fra la tensione al carico e la f.e.m. generata è il seguente: U = E - Ri.Ii          - La caratteristica di regolazione Ie(I), che riporta l’andamento della corrente di eccitazione al variare della corrente del carico. Durante la rilevazione delle grandezze si deve mantenere la tensione U costante sul carico intervenendo sulla corrente di eccitazione (sempre a velocità nominale costante).

32 La caratteristica esterna U(I)
L’andamento della tensione ai capi del carico, al variare della corrente erogata dalla dinamo, risente di due cause: quanto maggiore è la corrente erogata, tanto più alte saranno la caduta ohmica RiIi e quella dovuta al fenomeno di reazione d’indotto. Entrambe le cause concorrono a ridurre man mano la tensione alle spazzole, e quindi al carico ad esse allacciato. L’andamento U(I) è anche funzione del tipo di eccitazione della macchina. Nelle figure 11, 12 e 13, sono riportate le tipiche caratteristiche esterne, ricordando che la corrente erogata nominale non dovrebbe essere mai superata, se non per brevi e occasionali istanti di sovraccarico, per non compromettere la durata della macchina. E’ utile ricordare che, volendo mantenere costante la tensione al carico, al variare della sua resistenza occorre regolare la corrente di eccitazione, per rinforzare o indebolire opportunamente il flusso risultante. 1)Caratteristica esterna della dinamo a eccitazione indipendente 2)caratteristica esterna della dinamo con eccitazione derivata 3) caratteristica esterna della dinamo a eccitazione in serie Figura 13) caratteristica esterna della dinamo a eccitazione in serie Figura 11) caratteristica esterna della dinamo a eccitazione indipendente Figura 12) caratteristica esterna della dinamo con eccitazione derivata

33 1) Nella dinamo con eccitazione indipendente (fig 11
1) Nella dinamo con eccitazione indipendente (fig 11.), al diminuire della resistenza Ru del carico aumenta la corrente erogata e crescono le cadute interne dovute alla resistenza Ri d’armatura e alla reazione d’indotto. Ne consegue una riduzione graduale della tensione alle spazzole. Per non incorrere in sovraccarichi, la resistenza di carico non deve scendere a valori troppo bassi, che porterebbero all’erogazione di correnti superiori a quella nominale (la retta di carico non deve avere una pendenza inferiore a Rmin= Un / In ). Se si continuasse a diminuire la resistenza del carico la corrente erogata crescerebbe fino al valore "teorico" di corto circuito, in cui l’unico ostacolo sarebbe la resistenza interna d’armatura. Figura 11) caratteristica esterna della dinamo a eccitazione indipendente

34 2) Nella dinamo con eccitazione derivata (fig
2) Nella dinamo con eccitazione derivata (fig.12), all’aumento della corrente richiesta dal carico crescono anche qui le cadute interne dovute alla resistenza d’armatura e alla reazione d’indotto. La riduzione della tensione alle spazzole comporta però, in questo caso, anche la riduzione della tensione di eccitazione e quindi del flusso relativo, essendo il circuito di eccitazione in derivazione alle spazzole stesse. Questo è il motivo per cui la caratteristica esterna, superata la condizione di funzionamento a pieno carico, può calare molto bruscamente al continuo diminuire della resistenza di carico, portando la macchina alla diseccitazione totale (a parte la presenza comunque del magnetismo residuo). Questa macchina, infatti, per la sua caratteristica di carico, non patisce il corto circuito diretto, ai capi delle spazzole, perché all’annullarsi della tensione alle spazzole si annullano anche la tensione di eccitazione e la relativa corrente Ie che produce il flusso induttore. Figura 12) caratteristica esterna della dinamo con eccitazione derivata

35 3) Nella macchina con eccitazione in serie, in assenza di carico, non vi è praticamente eccitazione, a meno del magnetismo residuo. Portando la resistenza del carico esterno da valori elevati verso valori decrescenti, cresce la corrente erogata e man mano cresce anche il flusso, fino alla saturazione. L’ulteriore diminuzione della Ru impone elevata reazione d’indotto e la caratteristica esterna diminuisce poi bruscamente, dando luogo a quello che è ritenuto il tratto utile di funzionamento della macchina (fig.13). Per questo motivo la dinamo con eccitazione serie veniva usata come generatore a corrente costante, in virtù del fatto che, al variare della resistenza del carico da un valore limite superiore (RMax= Un/ In) fino al valore nullo (corto circuito), la corrente erogata modifica di poco il proprio valore. Il tratto utile finale evidenzia infatti una forte escursione della tensione, con corrente che varia di poco fra i limiti imposti dalla corrente nominale In e da quella di corto circuito Icc. Gli altri tipi di eccitazione (indipendente, derivata e composta) consentono invece il funzionamento a tensione costante, in cui la tensione al carico decresce non di molto al variare della corrente erogata. Figura 13) caratteristica esterna della dinamo a eccitazione in serie

36 Figura 14) Diagramma delle potenze.
Bilancio delle potenze nella dinamo Nel funzionamento da generatore, la macchina fornisce al carico corrente I con tensione V, e quindi la potenza erogata è data da: P = V I Indicando con Pp la potenza persa totale, la potenza assorbita vale: = P+Pp La potenza persa è data da: perdite meccaniche (Pav) + Perdite nel ferro (Pf) + Perdite per eccitazione ( ) + Perdite nel rame del circuito di indotto (Pji) + perdite elettriche al collettore (Pc) + perdite addizionali (Padd) - la dinamo assorbe Pass, potenza meccanica fornita dal motore di trascinamento; si devono detrarre le perdite meccaniche per attriti e ventilazione, e le perdite nel ferro. Queste ultime sono riferite alla parte rotante e alle scarpe polari. Nella restante struttura magnetica dell’induttore non vi è variazione di flusso e quindi non vi sono perdite nel ferro. La somma di queste due perdite è quella a vuoto Po. - E*Ii è la potenza che si trasforma in elettrica nell’indotto della dinamo. - La potenza persa nelle resistenze del circuito di eccitazione è Pe ; - nel rame d’indotto vi è l’effetto Joule - Alle spazzole e quindi al carico è disponibile la potenza elettrica generata dalla dinamo, la potenza resa o utile. Nelle perdite occorrerebbe ancora considerare, secondo le Norme, quelle addizionali, pari allo 0,5% della potenza resa e le perdite nelle spazzole valutate come Ri Ii2 Figura 14) Diagramma delle potenze. 2.Ii [W.]

37 Il flusso di potenza del generatore a corrente continua è rappresentato nella fig.14, figura in cui la Pc è da considerare solo per le macchine autoeccitate ; è stata anche evidenziata la potenza intermedia Detta potenza elettrica generata, corrispondente alla potenza elettrica totale, dalla quale, sottraendo le perdite joule totali (indotto, collettore eccitazione), si ottiene la potenza elettrica resa al carico. Il rapporto tra queste potenze e la velocità di rotazione Ω del rotore, fornisce la coppia elettromagnetica Cem che sviluppa tra statore e rotore che nel funzionamento da generatore è di tipo resistente, opposta al senso di rotazione

38 Pav= perdite meccaniche P=Pav+Pf+Pecc+Pji+Pc+Padd
Pf= Perdite nel ferro Pa=P+Pp Pe= Perdite per eccitazione Pp= potenza persa totale Pji=Perdite nel rame del circuito di indotto Po=Pav+Pf Pc=perdite elettriche al collettore Pji= Ri Ii2 Padd= perdite addizionali

39 Rendimento della dinamo
Il rendimento della macchina varia al variare della corrente erogata al carico, secondo l’andamento tipico della fig.15. Cresce rapidamente da zero (dinamo a vuoto) fino al valore massimo, per poi diminuire più lentamente man mano che crescono le perdite nell’indotto. Il rendimento si calcola con l’espressione Figura 15) Rendimento della dinamo, al variare della corrente erogata al carico.

40 Motore in C.C Basi del motore C.C Parti fondamentali e funzionamento
Motore a magneti permanenti Motore con statore a filo avvolto Motore universale

41 Basi del motore in C.C. Il motore in corrente continua è stato il primo motore elettrico realizzato, ed è tuttora utilizzato ampiamente per piccole e grandi potenze. Sono a corrente continua (o comunque alimentabili in corrente continua) numerosi motori di piccola potenza per usi domestici, come anche motori per trazione ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia di kW. Uno dei primi motori elettromagnetici rotanti, se non il primo, è stato inventato da Michael Faraday nel 1821, e consisteva in un filo conduttore tenuto fermo verticalmente alla sua estremità superiore in modo che l'estremità inferiore fosse immersa in un piatto contenente mercurio. Un magnete permanente circolare era sistemato al centro del piatto. Quando una corrente elettrica veniva fatta scorrere nel filo, questo ruotava attorno al magnete mostrando che la corrente generava un campo magnetico attorno al filo. Figura 1Un semplice motore DC. Quando la corrente scorre negli avvolgimenti, si genera un campo magnetico intorno al rotore. La parte sinistra del rotore è respinta dal magnete di sinistra ed attirata da quello di destra. Analogamente fa la parte in basso a destra. La coppia genera la rotazione.

42 La stessa macchina, con corrente d'eccitazione e polarità delle spazzole identiche, ruota nello stesso senso sia come motore che come generatore, solo che quando funziona come motore cambia il senso della corrente nell'indotto e nelle vie interne così che la f.e.m. E è da intendersi come controelettromotrice, e la coppia elettromagnetica generata C è da ritenere come motrice essendo concorde col verso di rotazione. Mentre per i generatori autoeccitati si ha un verso obbligato di rotazione dovuto alla necessità di sfruttare il magnetismo residuo, nei motori autoeccitati ciò non è più vero in quanto il flusso d'eccitazione è originato dalla corrente derivata dalla linea di alimentazione stessa che si trova, sempre, alla tensione V. La reazione d'indotto si presenta nei motori in forma del tutto analoga a quanto visto per i generatori, solo che l'asse neutro si trova ad essere spostato in anticipo rispetto all'interasse polare. Anche la commutazione si presenta con le stesse proprietà già viste per i generatori.

43 Parti fondamentali e funzionamento.
Il principio di funzionamento di ogni motore elettromagnetico può essere espresso con la legge F=I.B.I         Se un filo di lunghezza l [M], percorso da corrente I [A] è perpendicolare alle linee di forza di un campo magnetico di induzione B [T], agisce su di esso una forza trasversale F [N]. Verso e direzione della forza si trovano con la regola della mano sinistra. le parti fondamentali sono di un motore CC sono: ·         l’eccitazione, posizionata sullo statore, che crea l’induzione magnetica B, realizzata con magneti permanenti o con avvolgimenti. ·       L' armatura costituita dai conduttori posizionati in apposite cave ricavate in direzione assiale nella periferia esterna di rotore, che formano un avvolgimento chiuso.  In essi scorre la corrente I per la lunghezza utile l. ·        il collettore: organo fondamentale e caratteristico,  che consiste in un cilindro di lamelle conduttrici isolate tra loro e collegate a punti simmetricamente distribuiti sull’armatura. ·      le  spazzole di carbone, fisse, che strisciando sul collettore convogliano la corrente continua dell’alimentazione nei conduttori d’armatura. Il collettore svolge la funzione di raddrizzatore meccanico. La corrente nei singoli conduttori è infatti alternata mentre la corrente che arriva tramite le spazzole è continua. E' il collettore che fa avvenire l'nversione della corrente in modo tale che il suo verso dipenda unicamente dalla posizione fisica in cui durante il moto il conduttore viene a trovarsi. Nella stessa posizione fisica il verso della corrente è sempre lo stesso, qualunque sia il conduttore che la occupa. La distribuzione delle correnti rimane dunque immutata mentre i conduttori si muovono. Se ci si svincola dal fatto che la sede della corrente sono i conduttori e ci si concentra solo sulla corrente, è come se l'armatura fosse ferma. E' il collettore che “sostituisce” i conduttori.

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45 Motore in corrente continua a magneti permanenti
Il classico motore in corrente continua ha una parte che gira detta appunto rotore o anche armatura (in grigio con gli avvolgimenti colorati nelle figure) e una parte che genera un campo magnetico fisso (nell'esempio i due magneti colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole (o anello di Pacinotti) (nelle figure l'anello color rame, fissato all'albero rotante del motore, con i due contatti striscianti + e - collegati alla parte ferma) inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi (indicati con N ed S nelle figure). La velocità di rotazione dipende da: 1)Tensione applicata. 2)Corrente assorbita dal rotore. 3)Carico applicato (chiamato coppia di carico). La coppia generata è proporzionale alla corrente. Il controllo più semplice agisce sulla tensione di alimentazione. Nei sistemi più complessi si usa un controllo in retroazione che legge le variabili (corrente, velocità di rotazione) per generare, con un alimentatore switching, la tensione da applicare al motore. Quando il rotore sarà allineato orizzontalmente, il commutatore invertirà la direzione della corrente che scorre negli avvolgimenti, invertendo il campo magnetico e inizierà la seconda parte del giro. Dato che questo tipo di motore può sviluppare una forte coppia a basse velocità di rotazione è stato usato nella trazione elettrica, come, ad esempio, sulle locomotive. Il motore CC a magneti permanenti ha un comportamento reversibile: diventa un generatore di corrente continua (una dinamo) se si collega un altro motore all'albero. Si può allora prelevare l'energia elettrica prodotta collegandosi alle spazzole. (Da questo si può intuire la sua capacità di agire anche da freno: applicando tra le spazzole un resistore l'energia meccanica trasmessa all'albero si dissipa su questo resistore). Riassumendo si può affermare che il motore CC ha tutte le funzioni necessarie per un mezzo mobile: oltre alla funzione di motore può recuperare l'energia funzionando da dinamo e, quando necessario, può servire da freno.

46 Il suo limite principale è nella necessità del commutatore a spazzole:
Le spazzole sono in grafite. Questo consente un buon contatto elettrico minimizzando gli attriti. La loro usura richiede periodici interventi di manutenzione (d'altra parte è preferibile dover sostituire le spazzole che non l'intero collettore, operazione ovviamente molto più complessa). Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e più forte è la pressione che bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto. Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura degli avvolgimenti induttivi e quindi scintillio (attenuabile con opportuni sistemi ma non eliminabile). Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell'ambiente circostante che trasmessi al generatore di tensione (che alimenta il motore); questi disturbi, in determinati settori di impiego, possono causare problemi di compatibilità elettromagnetica. La presenza di avvolgimenti elettrici sul rotore ha anche due aspetti negativi: Se il motore è di grossa potenza si hanno dei problemi di smaltimento del calore (gli avvolgimenti si riscaldano per effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del rotore genera altre perdite e quindi altro calore). Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore (aumenta il momento d'inerzia): se il motore deve rispondere con rapidità e precisione (come avviene nelle automazioni industriali e nella robotica) il controllo diventa più complesso. Il limite principale di queste macchine è proprio la presenza del complesso collettore-spazzole; il contatto strisciante tra spazzole e lamelle può produrre archi elettrici e limita i valori massimi della tensione e della corente della macchina I problemi illustrati sarebbero evitati se si potesse scambiare il rotore con lo statore (cioè se gli avvolgimenti venissero messi sulla parte fissa e i magneti fossero montati sul rotore). Scomparirebbe il collettore a spazzole e gli avvolgimenti elettrici potrebbero smaltire più facilmente il calore generato. È quello che si fa nei motori brushless (in inglese letteralmente: senza spazzole). In essi si possono ridurre ulteriormente le dimensioni del rotore (e quindi le sue inerzie) usando materiali magnetici più efficienti come leghe di samario-cobalto. In questi motori ovviamente il circuito di alimentazione deve essere più sofisticato, dovendo sostituire le funzioni del collettore meccanico con un controllo elettronico di potenza.

47 Motore CC con statore a filo avvolto
Nei motori CC lo statore può essere realizzato non con magneti permanenti ma, similmente al rotore, con avvolgimenti su materiale ad alta permeabilità in cui viene fatta scorrere della corrente: questo circuito è detto di eccitazione. In questo modo si possono avere potenze maggiori (ma si dovrà spendere più energia anche per alimentare questo nuovo circuito). Si possono avere vari casi nell'alimentazione del circuito di statore: motore ad eccitazione indipendente: l'avvolgimento di statore è alimentato in maniera indipendente da quello di rotore. Si ha allora più flessibilità nel controllo dei parametri (coppia e velocità) del motore. Se si alimenta con le stesse polarità della dinamo, ruota nello stesso senso della dinamo. Per fargli cambiare verso di rotazione, bisogna invertire la polarità dell'armatura o la polarità dell'eccitazione. motore ad eccitazione in parallelo: statore e rotore sono collegati in parallelo (coppia maggiore, minore velocità). Comunque lo si alimenti, ruota sempre nello stesso senso della dinamo. Per fargli cambiare verso di rotazione, bisogna invertire il verso della corrente di eccitazione o d'indotto e questo è possibile solo scambiando il morsetto d'inizio con quello di fine di uno solo dei due avvolgimenti. motore ad eccitazione in serie: statore e rotore sono collegati in serie (coppia inferiore, maggiore velocità). Comunque lo si alimenti, ruota sempre in senso contrario a quello che assume funzionando da dinamo. Per fargli cambiare verso di rotazione si deve operare come per il motore con eccitazione derivata. motore ad eccitazione composta: dato che viene costruito in modo tale che l'eccitazione derivata prevalga su quella serie, si comporta come il motore con eccitazione derivata. Si possono avere anche situazioni intermedie utilizzate in passato soprattutto nella trazione elettrica (dove è richiesta molta coppia allo spunto e maggiore velocità a regime).

48 Motore universale Il motore con eccitazione a filo avvolto può essere alimentato sia in corrente continua che in alternata. Si parla allora di motore universale e nella maggior parte delle applicazioni è alimentato in corrente alternata (CA). La possibilità di usare la corrente alternata nasce dal fatto che la corrente nello statore e nel rotore si invertono contemporaneamente e quindi anche i campi magnetici si comportano allo stesso modo generando quindi una forza dello stesso tipo (attrattiva o repulsiva). In pratica il motore deve però essere progettato tenendo presente che l'alimentazione è alternata (impedenza e riluttanza devono essere tenute presenti) e il risultato è comunque un motore meno efficiente di un puro motore CC. Il suo principale vantaggio è che in CA si ha un motore con le tipiche caratteristiche di un motore CC, particolarmente coppia notevole allo spunto, alta velocità di rotazione e dimensioni compatte. L'aspetto negativo è la presenza del collettore a spazzole che richiede manutenzione o limita l'affidabilità: nelle applicazioni industriali sono poco usati mentre trovano largo impiego nei piccoli elettrodomestici o utensili usati in modo intermittente. Inoltre l'introduzione di dispositivi elettronici di controllo economici come i triac rende semplice il controllo della loro velocità. A differenza di altri motori usati in CA (motori ad induzione e sincroni), i motori universali possono facilmente superare velocità di rotazione di un giro per periodo della rete elettrica (cioè oltre i 3000 giri al minuto a 50 Hz e 3600 giri al minuto dove è presente la rete a 60 Hz). Questo li rende particolarmente utili nelle applicazioni in cui è richiesta un'alta velocità di rotazione (frullatori, aspirapolvere, asciugacapelli, ecc.). Con l'attuale disponibilità a costi contenuti di dispositivi elettronici (come circuiti integrati, ponti raddrizzatori, dispositivi di potenza a semiconduttore, ecc.), alcune applicazioni che in passato sarebbero state realizzate con motori universali ora vengono sviluppate con puri motori CC con magneti permanenti. In particolare quando si vuol realizzare un controllo della velocità più preciso.

49 Nome: Alessandro Severi Classe: V Sezione: Ael
Oggetto: Tesina per diploma di elettrotecnica Argomento trattato: Macchina in corrente continua Materia: Elettrotecnica Nome: Alessandro Severi Classe: V Sezione: Ael