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Le macchine elettriche

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Le macchine elettriche

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Cosa sono le macchine elettriche?

Le macchine elettriche sono dispositivi atti a:

�convertire energia elettrica in energia meccanica;

�convertire energia meccanica in energia elettrica;

�modificare le forme dell'energia elettrica.

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Classificazione delle macchine elettriche

Con riferimento al tipo di energia elettrica utilizzata o fornita si hanno macchine elettriche a:

�corrente continua

�corrente alternata.

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Con riferimento alle caratteristiche costruttive le macchine elettriche possono suddividersi in:

�macchine elettriche statiche : macchine nelle quali non sono presenti organi meccanici in movimento.

�macchine elettriche rotanti : macchine nelle quali èpresente una parte rotante (rotore) e una parte statica (statore).

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Con riferimento invece all'utilizzazione le macchine elettriche si suddividono in:

�Trasformatori;

� Motori;

� Generatori;

� Convertitori.

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Trasformatori

Macchine elettriche statiche, a corrente alternata, che trasformano l'energia loro fornita sotto forma di una tensione variabile con determinata frequenza, in energia elettrica con diversa d.d.p. ma variabile con la stessa frequenza.

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Motori

Macchine elettriche rotanti che trasformano l'energia elettrica assorbita dagli avvolgimenti in energia meccanica resa disponibile attraverso un asse meccanico rotante.

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Generatori

Macchine elettriche che trasformano l'energia meccanica fornita al rotore in energia elettrica.

Se l'energia elettrica è prodotta in corrente alternata si ha l’alternatore se invece è ottenuta in corrente continua il generatore prende il nome di dinamo.

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Convertitori

Macchine elettriche, statiche o rotanti, che forniscono in uscita energia elettrica con caratteristiche diverse da quelle dell'’energia elettrica in ingresso.

Se il convertitore è impiegato per trasformare la corrente alterata corrente continua prende il nome di raddrizzatore; la macchina che effettua la trasformazione inversa si chiama invertitore; quella che modifica frequenza si definisce convertitore di frequenza.

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… riassumendo:

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Analizziamo qualche macchina elettrica…

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Le macchine elettriche statiche

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Il Trasformatore

�Il trasformatore è un dispositivo elettromeccanico che trasforma energia elettrica in altra energia elettrica di uguale frequenza, modificandone tensione V e intensità di corrente I.

�Il trasformatore non ha organi in movimento e per questo motivo è una macchina elettrica statica.

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Nel suo impiego più comune esso consente di trasformare:

- energia elettrica a bassa tensione (BT) in energia a tensione più elevata (AT): trasformatore in salita o elevatore;

- energia elettrica ad alta tensione in energia a bassa tensione: trasformatore in discesa o abbassatore o riduttore;

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Rete elettrica nazionale

Nei sistemi moderni l’energia elettrica viene generata da alternatori a livelli che vanno da 6 a 25 kV.

All’uscita di una centrale un trasformatore innalza la differenza dipotenziale prima di immettere l’energia elettrica nella rete ad alta tensione (220 o 380 KV), tramite la quale viene trasportata a grandi distanze. L’innalzamento serve a ridurre le perdite durante il trasporto

Vicino ai luoghi di utilizzo la tensione, tramite dei trasformatori, viene abbassata prima nelle stazioni di trasformazione poi nelle cabine di trasformazione, fino ad arrivare al valore di 220 V con cui entra nelle case.

I convertitori abbassano e convertono la tensione da alternata a continua per alimentare treni, filobus e tram.

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Centrale idroelettrica

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Centrale termoelettrica

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MONOFASE

TRIFASE

TRASFORMATORI

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Trasformatori monofase

I Trasformatori monofase sono formati da due parti essenziali:

�nucleo centrale di materiale ferromagnetico costituito da un pacco di lamierini al silicio che forma il circuito magnetico principale;

�due avvolgimenti di materiale conduttore : il primario di N1 spire che riceve l’energia elettrica ed il secondario di N2 spire a cui si collega il carico.

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I trasformatori sono macchine reversibili in quanto i due avvolgimenti possono scambiarsi i ruoli di ingresso e uscita.

Lo stesso trasformatore potrà quindi essere impiegato come trasformatore elevatore o trasformatore abbassatore.

I trasformatori macchine reversibili

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Il trasformatore ideale

Si definisce ideale un trasformatore nel quale sono trascurabili le perdite.

Indicando con V1 e con V2 le ampiezze delle tensioni alternate rilevabili ai capi del primario e del secondario avremo che la potenza alternata fornita al primario è totalmente trasferita al secondario:

V1I1= V2I2

E quindi:

1

2

2

1

I

I

V

V=

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Si definiscono:

rapporto di trasformazione

rapporto spire:

Nel trasformatore ideale n=k per cui:

2

1

V

Vk =

2

1

N

Nn =

1

2

2

1

2

1

I

I

N

N

V

Vk ===

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Il trasformatore reale

Nel trasformatore reale avremo:1. PERDITE DI POTENZA NEL FERRO DEL NUCLEO FERROMAGNETICO per ISTERESI e per correnti parassite dovute allavariazione del flusso magnetico.

ISTERESI: fenomeno caratteristico dei materiali ferromagnetici che possono assumere valori diversi di magnetizzazione, in corrispondenza dello stesso valore del campo magnetico esterno, a seconda che questo venga raggiunto a partire da valori più alti o più bassi.

SOSTANZE FERROMAGNETICHE: sostanze aventi permeabilità magnetica relativa µr molto più grande di 1.µr = µ / µ0dove µ0 = 4 π 10-7 [T m / A] è la permeabilità del vuoto e µ è la permeabilità assoluta della sostanza.PERMEABILITA’: grandezza caratteristica di una sostanza che esprime la sua attitudine a divenire sede di induzione magnetica. E’ definita dal rapporto tra l’induzione magnetica prodotta nella sostanza e l’intensità del campo che l’ha generata.CORRENTI PARASSITE: La loro presenza è legata alla INDUZIONE MAGNETICA: in un circuito chiuso al variare del flusso di induzione magnetica concatenato al circuito stesso, si genera una corrente indotta la cui intensità è proporzionale alla variazione del flusso (leggi di Faraday – Neumann) il cui verso è tale da generare un flusso magnetico le cui variazioni si oppongono a quelle del flusso inducente (legge di Lenz);

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2. PERDITE PER CADUTE DI TENSIONE E PERDITE DI POTENZA PER EFFETTO JOULE negli avvolgimenti per via delle resistenze dei conduttori;

3. PERDITE PER FLUSSI DISPERSI: si richiudono in aria concatenandosi con un solo avvolgimento e pertanto non concorrono al flusso utile.

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� L’avvolgimento primario è alimentato mentre il secondario è aperto.

� Nell’avvolgimento primario non circola corrente e quindi non influenza i fenomeni elettromagnetici che avvengono nel nucleo.

� Il primario alimentato con tensione alternata di valore efficace V1, assorbe una corrente Iµ (CORRENTE MAGNETIZZANTE).

� La forza magneto motrice (f.m.m.) N1 Iµ produce il flusso alternato Φ che concatenandosi con le spire produce una f.e.m. indotta E1 uguale ed opposta a V1con valore efficace E1 = N1 ω Φ dove ω è la pulsazione, in rad/s, della tensione alternata di alimentazione.

� Il flusso Φ concatenandosi con entrambi gli avvolgimenti vi induce le f.e.m.

E1 = N1 ω Φ e E2 = N2 ω Φ

� Nel primario, trascurando le minime cadute di tensione, avremo : V1 ≅ E2

� Nel secondario avremo che la tensione secondaria nominale a vuoto è

V20 = V2 = E2

Pertanto: risultato praticamente identico a quello del trasformatore ideale.

Il trasformatore ideale a vuoto

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Il trasformatore ideale a carico

�Il trasformatore si dice a carico quando il secondario è chiuso su un utilizzatore che richiede corrente (I2 ≠ 0).

�Trascurando la caduta di tensione sul primario possiamo ritenere che, mantenendo la stessa tensione di alimentazione V1, il flusso Φ non cambi in modo significativo.

Infatti: V1 ≅ E1 = N1 ω Φ ⇒ il flusso è imposto dalla tensione di alimentazione.

�Il carico connesso al secondario richiama la tensione I2 che circolando nel secondario produce una f.m.m. N2I2 che richiama al primario una I1 (corrente di reazione primaria) in opposizione alla I2.

�Per effetto delle cadute di tensione che si hanno in entrambi gli avvolgimenti (1 ÷10% di V1) avremo che: E1 < V1 e E2 < V2

Per cui definendo il rapporto di trasformazione a carico avremo che tale rapporto sarà diverso dal rapporto di trasformazione a vuoto K0 e per i carichi consueti si avrà: K > K0.

�Si definisce caduta di tensione da vuoto a carico: ∆V = V20 – V2.

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Il trasformatore trifase

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Una trasformazione trifase la si può realizzare utilizzando tre trasformatori monofase . Questa soluzione, molto costosa, è però poco adottata se non per centrali di ingente potenza.

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La soluzione più utilizzata è quella di un nucleo ferromagnetico costituito da tre colonne complanari unite da traverse

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I tre avvolgimenti, sia primari che secondari possono essere collegati tra di loro a:

� stella

� triangolo

Collegamenti degli avvolgimenti

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Collegamento a stella

Si ottiene unendo tra loro i tre morsetti d’uscita oppure i tre morsetti d’ingresso. Il morsetto N prende il nome di centro stella.

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Collegamento a triangolo

Si realizza unendo ciascun morsetto d’ingresso con quello d’uscita della fase successiva, in ordine alfabetico, oppure ciascuna uscita con l’ingresso della fase successiva in ordine alfabetico

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Il rapporto di trasformazione dipende dal tipo di collegamento.

Rapporti di trasformazione

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