1 MACCHINE ASINCRONE Costruzioni elettromeccaniche a.a. 2003 -04 bozza
Feb 25, 2016
1
MACCHINE ASINCRONE
Costruzioni elettromeccanichea.a. 2003 -04
bozza
2
Contenuti1 - 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
3
asse orizzontale, supporti a scudo ventilazione a circuito aperto
Motori di piccola e media potenza
1 – Morfologia e raffreddamento
4
Motore di potenza
alette di raffreddamento
asse orizzontale, supporti a cavalletto, raffreddamento a circuito aperto
5
reggispinta
cuscinettidi guida
Motore ad asse verticale
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
D
n0
M1
n
Fmm genarata dall’avolgimento trifase di statore
2 poli
4 conduttori per polo e per fase
Dimensioni e parametri caratteristici
V1, I1, f12 – Circuiti magnetici
8
velocità di rotazione del campo rotante d’induttore [giri/min]
ffrequenza di statore
flusso al traferro
1060 fp
np
statore
frequenza di rotore
scorrimento
S = n0 - nscorrimento assoluto
nvelocità di rotazione del rotore [giri/min]
0
0
0 nnn
nSs
12 fsf
rotore
supponendo n° poli di statore e di rotore uguali: p1 = p2 = p
9
considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro
e
MHB
100
)( effLB
e: traferro equivalente ; con kc coefficiente di Carter di statore e rotore Ns = q N : numero di conduttori in serie per polo e per fase
ce k
n0
M1
n
Flusso al traferro
V1, I1, f1
10
Flusso in funzione della potenza per una macchina
asincrona
P (HP)
Wb
11
sn N
AI3
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 AfINfM anSan 223
bc bc
hc
c c
AJhbI cccctc JhbAcc
cc
Itc: corrente totale di cava ;
c: coefficiente di utilizzazione della cava
Fmm nominale di statore
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 sull’albero per piccole potenze, con l’interposizione di una lanterna negli altri casi.
13
Canali di ventilazione nel pacco statorico
D/2
L
canali di ventilazioni
pacchi magnetici elementari
traferro
piastra e dita pressapacco
barra pressapaccolc
rotore
ccanceff lnLL ncan = numero dei canali di ventilazione
c = fattore empirico di riduzione
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
Esempi di cave di statore
motore di piccola potenza
motore da 1,2 MW, 6 kV
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
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
Collegamenti esterni ai morsetti
Y
19
LD
conduttori attivi
cave di statore
connessioni frontali
Statore di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV – avvolgimento ondulato
20
Statore di una macchina di piccola potenza con avvolgimento a matasse
matasse isolamento verso massa della matassa
21
Motore da 5 kW, 380 V
Particolare dell’isolamento verso massa di una matassa nello statore di una macchina di piccola potenza
22
Rotore avvolto di un motore di potenza - 1,2 MW - 6 kV
L
cave di rotore
canali di raffreddamento
23
Rotore avvolto, avvolgimento embricato, in corto circuito
24
circuito esterno
anelli
spazzole
Rotore avvolto, avvolgimento embricato, connessione ad anelli
25
canali di raffreddamento
anelli
spazzole
Rotore avvolto con collegamento ad anelli (anno 1911)
26
conduttori attivi
anelli di corto circuito
Rotore a gabbia in alluminio pressofuso
alette di raffreddamento
Avvolgimento di rotore a gabbia
27
anelli di corto circuito con alette di raffreddamento
Avvoglimento di rotore a gabbia in motori di piccola potenza
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
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.
30
fem indotta in ciascuna fase del rotore fermo (n = 0)
020 nKE
fem indotta in ciascuna fase del rotore in rotazione )( 022 nnKE
00
0022 Es
nnnnKE
fem indotta nell’avvolgimento di rotore
fem indotta a rotore fermo (s = 1)
fem indotta a rotore in movimento (s 1)
020 nKE
02 EsE
4 – caratteristiche elettriche
31
Parametri elettrici dell’avvolgimento di rotore
impedenza
reattanza
L2induttanza
R2resistenza
21222 22 LfsLfX
20
2222
022
XsRZXsjRZ
a rotore fermo (s = 1) 210 2 LfX
a rotore in movimento (s 1) 02 XsX
20
22
22
2020 ; )10025( ; )105( XRRXRX
32ass
r
PP
rendimento
potenza elettrica assorbita
perdite rame statore
perdite ferro statore
potenza trasmessa al rotore
perdite rame rotore
potenza meccanica prodotta
perdite meccaniche
potenza resa Pr
111 cos3 IVPass
2113 IR2
1E
nCPmecc 602
nnCPPP mecccurot 00 602
Potenze e perdite
33
potenza elettrica trasmessa al rotore 220 cos3 IEPe
potenza meccanica trasmessa al rotore60
2 00
nCCPm
fem indotta a rotore fermo
me PP
Coppia di trascinamento del rotore
34
coppia di trascinamento del rotore
35
20
222
20
2
XsRsRnKC r
sRACRXss 2
2
22
20
2 ; 05,0
sXACRXss 1 ; 2,0 2
0
22
20
2
220
22 sXR
AsC
Coppia in funzione dello scorrimento
si suppone = cost. (in realtà diminuisce all’aumentare del carico per effetto della reazione d’indotto del rotore, e quindi varia con lo scorrimento)
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
CCmax
s
36
Il denominatore diventa minimo per
0
2
XRsm
lo scorrimento che corrisponde alla coppia massima è dato dal rapporto fra la resistenza e la reattanza a rotore fermo dell’avvolgimento d’indotto.
0
02
2XnKC rmax
Coppia massima
37
C
ns0
01
n0
Cmax
Cavv
R2aR2b
R2c
R2d
R2a < R2b < R2c < R2d
R2c = X0
Caratteristica meccanica
onnns
0
0)1( nsn
0
02
2XnKC rmax
coppia massima
scorrimento per la coppia massima sm = R2/X0
coppia di avviamento massima per R2 = X0 (sm = 1)
38
0
02
2XnKC rmax
Cmax
Coppia in funzione del flusso
(motore a 4 poli – n0 = 1500 g/min)
1500142513501275 n (g/min)1200s
00,2
1,2 n
1,1 n
n
0,9 n
C
0,05
scorrimento di coppia massima sm = 5%
39
1060 fp
n
nnnn
nnnsfsp
fp
npp
000
00122
6060
002 )( nnnnn
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.
Campo rotante d’indotto e d’induttore
n
M1
n0
Fmm generata dall’avvolgimento di rotore
Fmm generata dall’avvolgimento di statore
n2
M2
V1, I1, f1
n
40
R1 R2
Rp
X1 X0
Xm
E1 E0V
I1t I1 I2
11
2 sRR
Circuito equivalente
R1 R2
Rp
X1 X2
Xm
E1 E2V
I1t I1 I2
41
Fattore di trasporto K
rtar
stas
NEfNEfK
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
42
33n° spire efficaci NE
66conduttori in serie per polo e per fase
22numero poli
33numero fasi
1818numero 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……
( fas = far =1 )
43
Ip Im
RpXm
Iv V
Iv
Im
Ip
R1 R2
RRp
X1 X2
Xm
E1 E2V
I1t I1 I2
Iv: corrente a vuoto
Ip: corrente di perdita
Im: corrente di magnetizzazione
Ip<<Im
Corrente a vuoto
44
Perdite a vuotop
ppp RVIRP
22
Perdite a vuoto sincrono(scorrimento nullo)
22,1)( BffCP npfe
• perdite nel ferro primario
Perdite a vuoto effettivo(coppia resa nulla)
• perdite nel ferro primario22,1)( BffCP npfe
• perdite meccaniche
nPP nm )8,07,0(
Cp = cifra di perdita a 1T e frequenza nominale [W]Pn = potenza nominale [W]n = velocità di rotazione [giri/min]
45
BNf
ISae
m 1
230
considerando il circuito magnetico formato solo dal traferro
BIm in assenza di saturazione
BfV poiché è anche f
VIm
e: traferro equivalente ; con kc coefficiente di Carter di statore e rotore
ce k
Corrente di magnetizzazione Im
46
R1 R2
Rp
X1 X0
Xm
E1 E0V
I1t I1
I2I0
11
2 sRR
Corrente di corto circuito
In cto.cto.(rotore bloccato)
s = 1 ; R = 0R1 R21X1 X01
V
Icc
47
R1 R2
Rp
X1 X0
Xm
E1 E0V
I1t I1
I2ccI0
R1 R2
Rp
X1 X0
Xm
E1 E0V
I1t I1
I2I0
11
2 sRR
2222 cccu IRP
22
2n
nn I
sRC
222 ccavv IRC
Rapporto fra coppia di avviamento e coppia nominale
Funzionamento a carico nominale
Funzionamento allo spunto (corto circuito)
sR
sRRR t
2222 11
tnt
nnnnn RIZR
IZIIEC 222
2
2222220 cos
48
O’
O
A
B
I0
Icc
V1
D
C
ABAD21
Costruzione del diagramma circolare
5 – diagramma circolare
49
O’
O
AI0
Icc
V1
C
I21
I1
Diagramma circolare – tensioni e correnti
ACOC tiene conto del fatto che I0 varia col carico e
quindi con lo scorrimento
ACOCKII I212
V1 : tensione ai morsetti dello statore
I1 : corrente di statore
I2 : corrente di rotore
I21 : corrente di rotore riportata al primario (statore)
50
O’
O
AI0
Icc
V1
C
I21I1Pass
Pr
Pp
retta delle potenze assorbite
retta delle potenze rese
Pcu
Pfe
Diagramma circolare – potenze e perdite
51
OI0
Icc
V1
perdite rame rotore
perdite rame statore
perdite a vuoto
Pr
Pcurot
Pcustat
P0
S = 0
S = 1
Potenza resa e perdite
52
0I0
Icc
V1
perdite rame rotore
perdite rame statore
perdite a vuoto
Pr
Pcurot
Ptrasmessa
trasmessa potenzarotore nel perdites
222 cosIVPtrasmessa
22IVPtrasmessa
scorrimento
BlNffV sa 22 BJ
fll
fBlNff
INSl
s c
asa
sc
c
22 11
2 2
lc : lunghezza (media) dei conduttori di rotore ; Sc : sezione (media) dei conduttori di rotore
per una valutazione di prima approssimazione possiamo porre cos = 1
2
22
22
222
VIR
IVIRs
sc
c NSlR 2
53
0I0
Icc
V1
perdite rame rotore
perdite rame statore
perdite a vuoto
Ptrasmessa
C
retta delle coppie
0 602 nCPtrasmessa
trastras Pn
PC 02
60
Coppia trasmessa al rotore
54
0I0
Icc
V1
perdite rame rotore
perdite rame statore
perdite a vuoto
Cmax Cavv
Coppia massima e coppia di avviamento
55
0I0
Icc
V1
perdite rame rotore
perdite rame statore
perdite a vuoto
Cmax
CavvCn
In
44,0cos19,0cos81,0cos
0
cc
n
ad esempio
Coppia nominale
56
cos
I1
Pp s
Presa0 100%Pn
Andamento qualitativo delle caratteristiche di un motore asincrono in funzione della potenza meccanica resa sull’asse
57
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.
conduttori attivi
anelli di corto circuito
Rotore a gabbia in alluminio pressofuso
alette di raffreddamento
6 – rotori a gabbia
58
Is
Ia
Corrente negli anelli Ia e nelle sbarre Is
per Ng grande, piccolo
Ia
I’a
Is
g
aas NpsenIsenII
2 222
sg
a Ip
NI
1
: angolo elettrico fra due cave vicine
Ng : numero di cave della gabbia pNg
Ia I’a
Is
59
Sezioni tipiche di conduttori per avvolgimenti a gabbia
gabbia doppia
gabbia semplice
60
Avvolgimento di rotore a doppia gabbia
2
422
222 1)(
hfkRfR dcresistenza di rotore R2 alla frequenza di rotore f2
(R2dc = resistenza di rotore in continua)
rotore
statore
gabbia secondariaRs ; Xs
gabbia primariaRp ; Xp
h
Il flusso concatenato con la gabbia secondaria investe anche il traferro (ridotta)
L
sp LL
sp XX
Il flusso concatenato con la gabbia primaria investe il traferro solo parzialmente ( elevata)
61
Rp/sXp
sRXsRX
ss
pp
sRXsRX
ss
pp
perdite nel rame di rotore ridotte
R1 X1
V
Icc
Xs Rs/s
1s ps II
perdite nel rame elevatecoppia di avviamento elevata
0s pp II
62
hINfM shh
111
23
htkMM hh cos11
h : ordine dell’armonica 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
Cmin
n
C
s = 0
Coppie parassite asincrone
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.
64
Il fenomeno della vibrazione del rotore o dello statore è legato soprattutto all’effetto dei denti, e si verifica quando il numero C della cave di statore differisce di poco da quello di rotore.
Vibrazioni
112 CC 112 pCCVibrazioni nel rotore si possono verificare se è
212 pCC212 CCVibrazioni 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
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 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.
Provvedimenti per ridurre i fenomeni indesiderati
66
34 – 36 – 38 – 60 54 – 58 – 86 – 90 – 96
48728
26 – 28 – 46 38 – 40 – 64 – 68 – 70 52 – 56 – 58 – 92 – 94
365472
6
18 – 30 – 3426 – 30 – 42 – 4630 – 40 – 58 – 62
243648
4
25 – 26 16 – 28 – 30 – 32 24 – 30 – 42 – 46
182436
2
Cave di rotoreCave di statoreNumero di poli
Numeri ottimali di cave statoriche e rotoriche per motori asincroni
67
Motore di piccola potenza con rotore a gabbia
Per attenuare il fenomeno delle vibrazioni bisogna porre innanzitutto attenzione al numero di cave, mentre è anche utile ricorrere ad una inclinazione relativa fra le cave di rotore e quelle di statore
cave di rotore inclinate rispetto a quelle di statore
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
femecc PP
n
avv
II
n
avv
CC
nCCmax
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
70
37%
33%
5%
6%3%
5%11%
cuscinetti
avvolgimento
rotore
giunti
spazzole
cause esterne
non specificate
Percentuali di guasto rilevate dalla IEEE
I guasti relativi all’avvolgimento sono quasi sempre nello statore, e sono determinati dal cedimento dell’isolamento
71
s
C
10-1
72
C
C1
-C2
s1
Motore monofase ad induzione
n1
M1
n
M2
n2
2
22
1
11
nnns
nnns
1 0,8 0,6 0,4 0,2 00,2 0,4 0,8s20,6
coppia risultante
21 CCCr