1 m.a.t. principio di funzionamento e forme costruttive chris

Prof. Christian Gervasi

Data 01/05/2008

01/05/2008 1Prof. Christian Gervasi

Prof. Christian Gervasi

Data 01/05/2008


Motori asincroni trifasi

Principio di funzionamento e caratteristiche costruttive


I motori asincroni trifase sono sicuramente tra i più diffusi in utilizzazioni industriali, grazie alle loro caratteristiche funzionali e

costruttive estremamente semplici

Il loro funzionamento si basa su una diretta applicazione del

campo magnetico rotante

Le parti più importanti di questa macchina elettrica sono:

Statore

produce il campo magnetico rotante interagendo con il rotore. (figura di induttore)

Rotore

Subisce l’ azione del campo magnetico rotante, e ruota (figura da indotto)

Generalità

01/05/2008 Prof. Christian Gervasi 4


Caratteristiche costruttive statore

La parte esterna viene chiamata carcassa può essere

di ghisa o acciaio saldato e per motori di piccola potenza

anche in lega leggera (alluminio)

Internamente deve avere una superficie rotonda rettificata per ospitare

quello che si chiama pacco lamellare

Esternamente vengono ricavate delle alette,

indispensabili per ottenere il raffreddamento della

macchina



Il pacco lamellare è costituito da lamierini di silicio a forma di anello (anello magnetico di statore), di spessore (0.5, 0.8 mm), isolati tra loro, punzonati preventivamente in modo tale che una volta compressi e inseriti all’ interno della carcassa formino delle cave per alloggiare gli avvolgimenti che creeranno il campo magnetico rotante



MOTORE DI

PICCOLA

POTENZA

MOTORE

DA 1,2 MW

6 KV






Gli avvolgimenti statorici o induttori, collegati alla linea di alimentazione, possono essere a matassa realizzati con del filo isolato,

oppure a sbarraquando la corrente

raggiunge valori notevoli

matasse isolamento verso massa della

matassa





L’isolamento fra matasse e cave viene assicurato da del cartoccio

isolante e fascinando i lati di matassa con nastratura di

cotone impregnate

successivamente con delle vernici polimerizzanti o resine sintetiche





La carcassa statorica viene chiusa con due scudi, carter o calotte che prevedono due alloggiamenti, perfettamente centrati rispetto

all’anello dello statore, dove si inseriranno i cuscinetti sui quali potrà ruotare il rotore.




Caratteristiche costruttive rotore

Il rotore dovrà avere un diametro esterno tale da realizzare un traferro dell’ordine del millimetro





Il rotore del M.A.T. ha forma cilindrica e come lo statore è costituito da un pacco di lamiere magnetiche tagliate a disco e punzonate, isolate e serrate tra loro. Le punzonature fatte inizialmente ai dischi servono a

ottenere delle cave longitudinali che ospiteranno i lati attivi dell’avvolgimento rotorico.





Esistono due tipi di rotore. La forma più semplice e impiegata nei motori di piccola e media potenza è quella denominata a gabbia di

scoiattolo . Il circuito rotorico è costituito da delle sbarre conduttrici le cui estremità che coincidono con le testate sono chiuse in corto

circuito tramite due anelli

conduttori attivi

anelli di corto circuito

alette di

raffreddamento





Nei motori di elevata potenza o per applicazioni particolari il circuito rotorico presenta un vero e proprio avvolgimento trifase e in questo

caso si parla di rotore avvolto.

L

cave di rotore

canali di raffreddamento


canali di

raffreddamento

anelli

spazzole








Nel dimensionamento e costruzione del rotore occorre tener presente due tipi di problemi:

•Le vibrazioni •L’impuntamento

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 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


Va tuttavia sottolineato il fatto che i fenomeni vibratoripossono essere causati anche da squilibri meccanici e dasquilibri 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








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





Per evitare al momento di avviamento si abbia un allineamento dei denti rotorici con quelli statorici con conseguente impuntamento si

realizzano dei rotori con un numero di cave di circa il 10% in più rispetto allo statore

34 – 36 – 38 – 60

54 – 58 – 86 – 90 – 96

48

728

26 – 28 – 46

38 – 40 – 64 – 68 – 70

52 – 56 – 58 – 92 – 94

36

54

72

6

18 – 30 – 34

26 – 30 – 42 – 46

30 – 40 – 58 – 62

24

36

48

4

25 – 26

16 – 28 – 30 – 32

24 – 30 – 42 – 46

18

24

362

Cave di rotoreCave di

statoreNumero di poli

Numeri ottimali di cave statoriche e rotoriche per motori asincroni




Avvolgimento statorico.

È realizzato in maniera tale che quando percorso da una terna trifase

equilibrata di correnti sinusoidali crei un campo magnetico statorico che

può essere immaginato come una corona di poli alternati disposti lungo

la superficie interna dello statore scorrenti su essa (campo rotante)

Campo magnetico rotante(2003).ppt




Nella forma più

semplice se le

cave che presenta

lo statore sono 6 e

sono distribuite

sulla superficie

interna devono far

in modo da

ospitare tre

avvolgimenti

distanziati tra loro

di 120° che

genereranno tre

coppie di poli p






Se abbiamo a disposizione più cave per inserire più avvolgimenti queste

devono essere proporzionali al numero dei poli e al numero delle fasi

polinumerofasinumerocaveNumero

pf NNNc

Esempio N°1

Un motore trifase Nf = 3 e 2 poli =1p cioè una coppia polare p, il

numero minimo di cave è uguale

statorichecaveNNNc pf 623

Il che corrisponde ad una cava per polo e per fase

È importante sottolineare che con la lettera p da ora in poi

indicheremo le coppie polari che significa

2poli = 1coppia polare

2poli =1p





statorichecaveNNNc pf 623

Il che corrisponde ad una cava per

polo e per fase

I 360° del circonferenza devono

contenere le tre coppie polari per

cui gli avvolgimenti saranno

disposti a 120° l’uno rispetto l’altro

e le coppie polari occuperanno

180° N

S

P1

Esempio N°1




Esempio N°2

Un motore trifase Nf = 3 a

4 poli =2p

cioè due coppie polari =2p

il numero minimo di cave è

uguale


Il che corrisponde ad una

cava per polo e per fase

I 360° del circonferenza

devono contenere le 6

coppie polari per cui i

principi di ogni avvolgimento

saranno disposti distanti di

60° l’uno rispetto l’altro e la

coppia polare occuperà

invece 90°

N

S

S

N

P1





Se invece vogliamo

utilizzare sempre 12

cave per ottenere solo

una coppia polare per

fase si avrà la

configurazione detta due

cave per polo e per fase

I 360° della

circonferenza devono

contenere le tre coppie

polari per cui gli

avvolgimenti saranno di

nuovo disposti a 120°

l’uno rispetto l’altro e le

coppie polari

occuperanno 180°

N

S

P1

S

N





In base dunque al numero delle cave possiamo conformare

l’avvolgimento statorico con una, due, tre, o più coppie polari. Sotto è

riportata un immagine di un avvolgimento con visione sviluppata in

piano. Siete in grado di dirmi le sue caratteristiche

Si tratta di un avvolgimento di una fase che presenta 4 cave per polo e per fase e

due coppie polari cioè un totale di 4 poli





In ogni cava prendono

posto numerosi conduttori.

Questi di una cava sotto un

polo vengono collegati con

i conduttori di una cava

sotto il polo seguente o

antecedente a formare una

matassassina che viene

avvolta con nastratura di

cotone. Le matassine di una

coppia di poli contigui si

collegano in serie e sulle

testate vengono nastrate

insieme a costruire la

matassa. Infine si collegano

in serie le matasse fra loro

le matasse relative alle

diverse coppie di poli

matasse isolamento verso massa

della matassa





L’ordine delle connessioni fra le cave relative a due poli contigui può essere

diverso e determina il tipo di avvolgimento

I conduttori possono essere collegati in due tipi fondamentali con relativi sottotipi

Tipo A

a

poli omonimi

Tipo B

A

poli alterni

concentrico embricato concentrico embricato americano

Spiraleondulato spirale





Sotto è riportato un esempio di un avvolgimento sempre visto con sviluppo piano.

Vediamo di riconoscere per prima cosa quante sono le cave, i poli e a questo

punto le cave dedicate per ogni polo

Sono 36 cave, 3 cave per polo e fase ed infine 2 coppie polari 2p o 4 poli





In questa immagine notiamo una quotatura indicata con la lettera grega t essa

indica il semipasso polare, cioè quanto spazio occupa un polo nella circonferenza

cilindrica dello statore ossia l’arco che occupa ciascuno polo

tPolo nord

tPolo sud





Va precisato che t è il simbolo con cui si indica il semipasso polare, per cui il

passo polare varrà 2tt

Polo nord

t

Polo sud





Possiamo vedere che tutte e tre le fasi presentano la stessa distribuzione nelle

cave e la stessa spaziatura, ma uno spostamento angolare dei principio delle fasi

a (2t) ovvero 2/3 del semipasso polare t

a=1/3 del passo

polare 2 t

a=2/3 del

semipasso polare t





Si ha la necessità di portare fuori i tre capi delle tre fasi, ottenendo così 6

morsetti ai quali corrisponderanno i tre principi e le tre relative fini che ci

permetteranno di realizzare i due collegamenti stella e triangolo, che consentono

di ridurre il numero dei fili di alimentazione da 6 a 3 o massimo 4 per il sistema a

stella con neutro




Collegamento a stella

Nel collegamento a stella si collegano le tre fini delle tre fasi tra loro e

in uno dei morsetti sempre delle fini si può ricavare il centro stella.

L’alimentazione trifase viene fornita ai tre principi liberi. Il centro stella

può essere accessibile tramite una morsettiera esterna come già detto

oppure no se viene ricavato tramite una connessione rigida.

F

P1

P2

P3

1

3

2




Collegamento a stella

I collegamenti

nella morsettiera

vengono realizzati

mediante una

piastrina di rame.

In questo tipo di

collegamento, la

tensione di linea

è

Volte la tensione

di fase mentre la

corrente in

ciascuna fase è

invece la stessa

corrente di linea

che alimenta il

motore




Collegamento a triangolo

Si esegue collegando la fine della prima fase con il principio della seconda e poi

così via in ordine di fase. L’alimentazione si collega ai tre nodi che risultano dopo

i collegamenti

F

P1

P2

P3

1

3

2

F1

P2

F2 F3

P1P3

Occhio all’errore vediamo chi riesce ad individuarlo




Collegamento a triangolo

Nel collegamento a triangolo

la tensione tra i morsetti di

linea coincide con le tensioni

di fase per cui le fasi devono

essere costruite per

sopportare la intera tensione

di linea, la corrente nei lati del

triangolo è uguali a quella si

linea diviso .

Questo comporta che le

sezioni dei fili di avvolgimento

devono essere dimensionate

per una corrente che è minore

di quella di alimentazione




Dati di targa in base al collegamento

In una macchina in cui è possibile attuare i due tipi di collegamento si cambiano

anche contemporaneamente i dati di targa della macchina

Ad esempio se una macchina ha ciascuna fase è costruita per una tensione di

220V e per essere attraversata da una corrente di 100A , i dati di targa risultano

essere i seguenti

Esempio

Stella

Triangolo





Stella





Triangolo




Collegamenti esterni ai morsetti

Y




Principio di funzionamento

Quando le fasi dell’avvolgimento

statorico sono percorse da una

terna di correnti alternate

sinusoidali, ad ogni ciclo di

queste si ha la rotazione

completa dei poli di statore di un arco di 2t, pari alla distanza

angolare che separa 2 poli

successivi di egual nome (passo

polare). Se si ha una coppia

polare p (due poli) i poli statorici

effettuano una rotazione

completa in un periodo delle

correnti. In parole povere ad

ogni ciclo di delle correnti

corrisponde un giro completo

della circonferenza dello statore

Un periodo un intero giro cioè 2tChi riesce ad individuare un

dettaglio errato?





Statore e campo magnetico rotante trifase (1 coppia polare)

Ogni periodo della corrente corrisponde

ad un giro completo del campo

magnetico rotante


Mentre nelle macchine a

2 coppie polari (quattro

poli) i poli statorici

possono compiere solo

mezzo giro per ogni

periodo delle correnti

come si può vedere dal

grafico. Infatti nella

circonferenza devono

essere distribuiti quattro

poli per cui ci saranno 2

passi polari o 4 semipassi polari t. Non

esiste altra possibilità




Un periodo mezzo giro cioè 2t

Un periodo mezzo giro cioè 2t

Chi riesce ad individuare

l’errore?





Statore e campo magnetico rotante trifase (2 coppie polare)

Ad ogni periodo della corrente il campo

magnetico rotante compie mezzo giro





La velocità di rotazione del campo W1 è dunque vincolata alla pulsazione

w e alla frequenza f delle correnti statoriche e dal numero delle coppie

polari p dalla fondamentale relazione

Volendo esprimere la velocità angolare W1 in giri al minuto

Fondamentale nello studio delle macchine elettriche





IL principio di funzionamento può essere sintetizzato in questo modo.

Le linee di forza del campo magnetico rotante cioè il flusso magnetico F generato

dal circuito statorico, investono le sbarre di materiale conduttore del rotore.

Essendo un campo magnetico in movimento le sbarre del rotore saranno

interessate da un flusso variabile nel tempo e dalle leggi di Faraday, Neumann

questo fa si che in esse si generi una f.e.m.2 indotta.

tE

c





Le sbarre, come già detto

all’estremità sono chiuse

con degli anelli chiamati

anelli di cortocircuito in

quanto servono a

chiudere il circuito interno

del rotore, permettendo

così la circolazione di

correnti indotte I2.

(conseguenza delle leggi

di Faraday Neumann nella

legge di Lenz)

tE

c





Le correnti I2 creano a loro

volta un campo magnetico

che interagendo con quello

dello statore va a esercitare

un complesso di forze

elettromagnetiche o meglio

elettrodinamiche F





che costituiscono tutte insieme una coppia che agendo sul rotore che essendo

libero di ruotare lo mette in rotazione.





La Legge di Lenz insegna,

che le f.e.m. indotte e di

conseguenza le correnti

indotte hanno sempre un

verso tale da opporsi alla

causa che le genera, il verso

di rotazione del rotore non

potrà che avere lo stesso

verso di rotazione del

campo magnetico rotante

(induttore), il cui moto

relativo rispetto alle sbarre è

la causa delle correnti

indotte

n1 ha lo stesso verso di n2

n1

n2





Visto che il rotore per le cause note, insegue il c.m.r. , la velocità relativa del rotore

rispetto al campo magnetico rotante varia, da un valore massimo al momento

dell’avviamento, diminuendo via via fino a raggiungere la velocità di regime.

Diminuendo la velocità relativa tra il rotore e il c.m.r., diminuisce di conseguenza

anche la velocità con cui le linee di forza del campo tagliano le sbarre del rotore

Se indichiamo il numero di giri del c.m.r. con n1 e con n2 il numero di giri del

rotore, è chiaro che confrontando le due velocità si può concludere che minore è

la differenza tra n1-n2 minori saranno le f.e.m. e le correnti indotte e di

conseguenza le azioni motrici

Se n2 raggiunge la velocità di n1 (n1-n2), non si ha più nessun taglio di linee di

forza da parte del rotore è la conseguenza è che le f.e.m. e le correnti indotte sono

ridotte a 0 e viene così a mancare completamente l’azione motrice che trascina

in rotazione la gabbia e questa deve necessariamente rallentare generando uno

scorrimento che fa riprendere la causa della rotazione





Proprietà

1. Il rotore non può mai raggiungere la velocità di sincronismo perché

cessano le cause della rotazione ecco il perché del nome M.A.T.

2. minori sono le resistenze meccaniche frenanti, perdite per attrito e

ventilazione , più il M.A.T. raggiungerà il sincronismo

3. la coppia frenante applicata all’albero del rotore fa si che diminuisca la

velocità del rotore rispetto al campo magnetico rotante, facendo

aumentare gradualmente le correnti indotte che andranno a

raggiungere il valore necessario per sviluppare una coppia motrice

uguale alla coppia frenante ottenendo a equilibrio avvenuto anche una

velocità costante

4. il funzionamento del M.A.T. è considerato stabile. In quanto esiste una

spontanea regolazione della velocità di rotazione relativa alla coppia

frenante applicata all’albero che automaticamente fa ottenere una

coppia motrice uguale alla coppia resistente




Scorrimento

Il rapporto tra la differenza del numero di giri n1 del c.m.r. e del rotore n2 e di

nuovo il numero di giri del c.m.r. n1

altro non è che il valore relativo proprio riferito a n1 che viene definito

scorrimento che esprime la frazione di giro che il rotore n2 perde per ogni giro

completo di n1

1

21

n

nns

È preferibile esprimerlo in percentuale, per cui lo scorrimento percentuale

esprime la frazione di giro che n2 perde per ogni 100 giri rispetto a n1

1

21100

n

nns%




Scorrimento

Conoscendo lo scorrimento s il numero di giri del rotore n2 è dato dalla formula

inversa

snn 112

Esempio 1

Un motore a 4 poli ossia 2 coppie polari p=2 funzionante alla frequenza di

50Hz possiede uno scorrimento percentuale del s%=3%.

Risalire al numero di giri del c.m.r. n1 e del rotore n2

ogiri/minut, 145503011500112 snn

030100

3

100100

1

21,

%%

ss

n

nns




Scorrimento precisazioni

Quando n2 vale 0 cioè a rotore fermo lo scorrimento vale

11500

1500

1500

01500

1

21

n

nns

Mano a mano che il rotore acquista velocità lo scorrimento, cioè

la frazione di giro che il rotore n2 perde per ogni giro completo di n1

diminuisce, fino al valore limite s=0 quando teoricamente il rotore arriva a ruotare

come il c.m.r. n1=n2

01500

0

1500

15001500

1

21

n

nns

Questa ipotesi nella realtà è impossibile in quanto come gia detto cesserebbero

proprio le cause del fenomeno




Scorrimento precisazioni

In pratica, quando il motore funziona senza che all’albero agisca nessuna coppia

frenante, cioè a vuoto, viste le poche perdite meccaniche per attrito e ventilazione,

la velocità del rotore si avvicina molto a quella del c.m.r. e di conseguenza anche

lo scorrimento risulta essere piccolissimo si è quasi nel range del sincronismo

Ad esempio se la velocità n1 è di 1500 a vuoto la n2 varrà 1495 con uno

scorrimento del

003301500

5

1500

14951500

1

21,

n

nns

A carico nominale cioè applicando all’albero del rotore la coppia resistente per

cui è stato progettato lo scorrimento va da un massimo del 10% per piccoli

motori fino al 2% per quelli grandi

ogiri/minut. 1470020115001121

snn

ogiri/minut. 1350100115001122

snn

La differenza è quasi ridicola per cui il M.A.T. funziona a velocità

pressoché costante




Frequenza delle correnti rotoriche Volendo esaminare la frequenza delle correnti rotoriche f2 rispetto a quelle

statoriche f1, si può osservare che quando il rotore è fermo, la velocità relativa o

moto relativo del c.m.r. rispetto il rotore (fermo in questo caso)

sn

nn

f

f

1

21

1

2

12 fsf

coincide proprio con quella del c.m.r. e dunque la frequenza delle correnti f2 del

rotore coincidono con quella dello statore f1,comportandosi come un trasformatore

con il secondario chiuso in cortocircuito (in quanto gli anelli chiudono in

cortocircuito le sbarre conduttrici).

Se invece il rotore arrivasse al numero di giri pari al sincronismo (n1=n2) visto che il

fenomeno dell’induzione si esercita solo in virtù della differenza di velocità tra il

c.m.r. e il rotore (moto relativo)essendo uguale a 0 la f2 sarà uguale a 0.

Avendo indicato con lo scorrimento, il numero di giri che il rotore perde nei

confronti del c.m.r., sicuramente esiste una relazione fra la frequenza delle correnti

indotte nel rotore f2 e lo scorrimento cioè la differenza dei giri del c.m.r. rispetto

quelli del rotoreinfatti se associamo la f1 al numero di giri del c.m.r e la f2 la velocità relativa (n1-

n2) facendo la proporzione




Frequenza delle correnti rotoriche

Esempio

Con uno scorrimento del s%=3% e una frequenza di alimentazione di f1 50Hz, la

frequenza delle correnti rotoriche f2 risulterà

Hzfsf 515003012 ,.

030100

3

100100

1

21,

%%

ss

n

nns

Invece con uno scorrimento del 40%

Hzfsf 20504012 .

40100

40

100100

1

21,

%%

ss

n

nns

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