Motore Asincrono (parte II) e Sincrono

Per allievi del CdL in Ing. Navale

(aggiornato al 18 dicembre 2013)

Motore Asincrono Parte II

Funzionamento a frequenza variabile, frenatura, motore

asincrono monofase, configurazioni costruttive

Funzionamento a frequenza variabile

≈22 , fv

11 , fv

C

Rete

Al variare della frequenza di alimentazione varia la velocità di sincronismo ωs=2πf/p e si modifica la caratteristica meccanica sul piano C-ωr.La regolazione della frequenza è utilizzabile sia perl’ avviamento che per la regolazione della velocità.

%

Per un’assegnata caratteristica del carico, al variare di f sisposta il punto di lavoro. In tal modo la velocità può essere variata dal valore corrispondente alla massima frequenza applicabile fino a quasi zero, sulla base della frequenza minima ottenibile con il sistema di alimentazione.

ωs=2πf/p

La variazione di f comporta necessariamente anche la variazione della tensione di alimentazione del motore VS, al fine di ottimizzare l’impiego dei circuiti magnetici evitando la loro saturazione. Sono possibili diverse leggi di regolaz. VS=F(f). Molto usata è la legge VS/f=costante, adottata per contenere le variazioni del flusso Φ.

Legge tensione-frequenza

%

Infatti, trascurando la caduta di tensione nello statore la LKT dello stesso è:

wsSS KNjV wsSS KfNV 2

KKNf

VwsS

S 2

La costanza di VS/f comporta pertanto la costanza di Φ.Per macchine di grande potenza (ad es. 1 MW) e per frequenze di alimentazione prossime a quella nominale, possiamo trascurare la resistenza statorica rS rispetto alla reattanza xt.In tale condizione anche la coppia di rovesciamento :

RS

S

t

SM ll

V

f

k

x

V

f

kC

'42

2

2

2

%

varia poco con f. Per macchine di potenza minore e per f<fn rS non è trascurabile rispetto a xt=2πf(lσS+l’σR). La coppia di rovesciamento dedotta dal circuito equivalente a L è data da:

22

2

2tSS

SM

xrr

V

f

kC

%

Essa diminuisce per basse frequenze e può diventare anche più piccola della coppia nominale. Si ha quindi un appiattimento di C per valori bassi di f. L’entità dell’appiattimento è diverso a seconda della taglia del motore, poiché sono diversi i pesi relativi dei parametri resistivi ed induttivi.

Deflussaggio

Per f>fn la tensione applicata supererebbe il suo valore nominale.Essa però deve rimanere costante.

%

Essendo:

wsSKfNV 2Se f aumenta e V è costante Φ diminuisce.

Compensazione della caduta sulla resistenza rS a basse frequenze.

Per migliorare l’appiattimento della coppia a bassa frequenza dovuto alla resistenza rS si aumenta la tensione per f<fn conservando la linearità della legge V-f.

Sono spesso adottate altre leggi di alimentazioni V-f, calcolate, noti i parametri del circuito equivalente, per imporre specifiche condizioni (ad es. la costanza della coppia di rovesciamento CM).

L’alimentazione del motore avviene tramite inverter o convertitori di frequenza per i quali la corrente non può superare una soglia critica e che pertanto sono dotati di un limitatore di corrente. Si definisce coppia limite Clim il valore della coppia del motore corrispondente alla corrente limite. La tensione d’uscita dell’inverter o del convertitore di frequenza è in genere periodica, ma non sinusoidale. V è il valore efficace della sua armonica fondamentale

Regolazione manuale della velocità

L’operatore fissa la frequenza f. Nella logica di controllo dell’inverter è implementata la legge V-f adottata

Regioni di funzionamento della macchina asincrona

Frenatura del Motore

Frenatura supersincrona (o da generatore)

Se si provoca la diminuzione della velocità di sincronismo del motore ωs portandola ad una velocità minore di quella di rotazione ωr, lo scorrimento s=(ωs- ωr)/ ωs e la coppia diventano negativi e la macchina funziona da generatore, restituendo energia alla rete. Poiché ωs=2πf/p, o si aumenta p o si diminuisce f.

Raddoppiando p il punto di lavoro si sposta da P0

a P1. La velocità si dimezza quasi. Per arrestare il motore occorre agire su f.

%

La coppia frenante oscilla in un intervallo la cui ampiezza dipende dai salti Δf con cui diminuisce la frequenza.

%

Frenatura supersincrona agendo su f (regolazione a scatti)

Frenatura elettrica

Frenatura a inversione di fase (o in controcorrente)

Scambiando una coppia di fasi di alimentazione s’inverte il verso di rotazione del campo rotante e, con esso, anche quello della coppia trasmessa all’albero. La coppia da motrice si trasforma in frenante. Negli avvolgimenti viene dissipata un’energia termica pari alla somma dell’energia elettrica fornita dalla rete e dell’energia cinetica delle masse in movimento. Nel caso di motori sottoposti a frequenti cicli di avviamento e frenatura si possono raggiungere temperature pericolose.

Motore asincrono monofase

Se non è disponibile l’alimentaz. trifase, per piccole potenze, da decine di W fino a pochi kW, è possibile l’uso del motore monofase, costituito da un rotore a gabbia e da uno statore monofase. Questo si può ad es. ottenere collegando in serie due fasi di un mot. trifase. %

Motore asincrono monofase

Se tale mot. trifase ha un avvolgim. trifase distribuito sulla superficie interna dello statore, 2/3 di tale superficie saranno occupati dall’avvolgim. principale monof. del mot. monof. L’altro terzo potrà essere occupato da un avvolgim. ausiliario utile per l’avviam. del motore.

Motore asincrono monofase, il campo magnetico pulsante

L’avvolgim. monofase crea il campo pulsante:

essendo:

il campo pulsante è esprimibile come somma di due campi Bd e Bi di ampiezza metà e rotanti in verso opposto con velocità ωc (ωc= ω/p).

ptBtB M coscos),(

)]cos()[cos(2

1)cos()cos( bababa

)]cos()[cos(2

1),( tptpBBBtB Mid

Scorrimenti rispetto al campo diretto Bd e inverso Bi

Il rotore, rotante con velocità +ωr, presenta lo scorrim. sd rispetto al campo diretto Bd rotante con veloc. e rispetto al campo inverso Bi, rotante con veloc. lo scorrim. si. La relaz. tra sd e si è:

Assumendo come scorrim. principale s lo scorrim. sd, si ha:

c

rcds

c

rc

c

rcis

crc

2 id ss

ssi 2

c

,c

dB

iB

Il motore asincrono monofase, la caratteristica elettromeccanica

Sul rotore agiscono la “coppia diretta” Cd creata da Bd concorde con e la “coppia inversa” Ci creata da Bi opposta a . Trascurando le interazioni tra Bd e Bi:

dove è la coppia di un mot. trif. con lo stesso Ns del mot. monof. e:

r

r

id CCC

emC3/)(sCC emd

)2(3

)(sC

sCC d

iemi

Avviamento del motore monofase

La coppia d’avviam. (s=1) è nulla, poichè i due campi diretti ed inversi si equilibrano. Se il motore è avviato con veloc. ωr prevale il campo concorde con ωr. Il motore può essere avviato meccanicamente oppure elettricam. creando un campo rotante. Non essendo possibile creare un campo rotante trifase creato da un sistema simmetrico trifase di correnti, si può ricorrere ad un campo bifase creato dagli avvolgim. principale ed ausiliario.

Campo bifase

Il campo è creato dagli avvolgimenti principale ed ausiliario, i cui assi magnetici sono ortogonali e che sono attraversati dalle correnti ip ed ia, in quadratura :

Se p=1

Campo principale

Campo ausiliario

Campo risultante

tIi Mp cos tIi Ma sin

tBB Mp coscos

tBB Ma sinsin

)cos( tBB M

Motore monofase a condensatore

V

aI pI

Per sfasare ia rispetto ad ip nell’avvolgimento ausiliario s’inserisce un condensatore C

Motore a poli tagliati

Configuraz. motore trifase

%

%

%

Rotore

Motore trifase

Motore asincrono monof. (p=1)

Motore asincrono monof. (p=2)

Sistemi elettrici per i trasporti

Motore Sincrono

Genesi del motore sincrono a rotore cilindrico (p=1)

Campo rotantecon velocità ωc

creato dalle correntistatoriche

Rotore rotantecon velocità ωr

Le fem rotoriche hanno pulsazione (ωc-ωr)=sω e sono date da:

jsE R

%

Nel motoreasincrono

Se il rotore raggiunge la velocità di sincronismo ωc (ωr= ωc)→ s=0 → fem e correnti rotoriche indotte si annullano → coppia motrice C si annulla → viene meno l’equilibrio dinamico tra C e la coppia di carico all’asse CL. Tale equilibrio si ripristina se nel rotore aggiungiamo un altro avvolgimento monofase attraversato da corrente continua Ie.

Avvolgimentodi eccitazioneAlimentatoin correntecontinua

F=IeLB

La coppia motriceapplicata al rotoreè diversa da zero

%

La corrente di eccitazione Ie nel rotore determina un campo solidale con questo e quindi rotante alla velocità ωr= ωc → questo induce nello statore delle fem e0 a pulsazione ω, aggiuntive alle eS indotte dal campo rotante creato dallecorrenti statoriche:

Funzionamento in regime sincrono

dt

dKNe e

wSS

0 dt

dKNe wSSS

Riferendosi ai fasori, si può porre:

ewSSKNjE 0

SmwSSS ILjKNjE

%

vedere diapositiva 32 oppure

diapositiva 54 nell’ipotesi di s=0 e Rm=∞ (Pfe trascurabili)

La LKT nella fase 1 statorica è:

0)( EILjIljrV SmSSSS

)( mSs LlX Reattanza sincrona

Circuito equivalente

Diagrammavettoriale

%

Calcolo della potenza e della coppiaTrascurando la resistenza rS

%

AB=E0sinδ

AB=CBsin(90-φ)==XSIScosφ

E0sinδ= XSIScosφ

Iscosφ= E0sinδ/XS

P=3VSIScosφ=3VS E0sinδ/XS

sin3 0

Sc

S

cem X

VEPC Cem coppia

δ angolo di potenza

Il valore della coppia massima teoricamente sviluppabile è dato quindi da:

Sc

SM X

VEC

03

Esso può essere aumentato incrementando E0 e quindi sovraeccitando la macchina. A parità di E0 l’angolo di potenza δ è determinato dalla coppia resistente. Tale angolo dipende dalla posizione reciproca del campo rotante statorico e di quello rotorico (rotanti alla stessa velocità) e conseguentemente dalla fase della tensione e della posizione istantanea del rotore. A parità di δ lo sfasamento φ tra tensione e corrente dipende dal valore di E0. Sovraeccitando opportunamente la macchina essa può risultare un carico di tipo ohmico-capacitivo. Ciò si deduce dai due seguenti diagrammi vettoriali. %

φ>0 φ<0

Funzionamento da generatore

Facendo ruotare il rotore con un motore primo con velocità ωc ai morsetti statorici della fase 1 insorge la fem sinusoidale di pulsazione p ωc :

ewSSKNjE 0

Se la macchina funziona a vuoto tale fem coincide con la tensione esterna ai suoi capi; se tali morsetti sono collegati ad un carico esterno, essi erogano la corrente sinusoidale iS. Si ha pertanto

SmSSSS ILjIljrEV )(0

Tale equazione è rappresentata dal circuito equivalente analogo a quello con cui si è rappresentato il funzionamento da motore:

%

Se il carico è ohmico-induttivo (iS in ritardo su vS) si ha il seguente diagramma vettoriale

Trascurando la resistenza rS , operando come per il motore, si perviene alla stessa espressione per la coppia elettromagnetica:

sin3 0

Sc

S

cem X

VEPC

%

Poiché in questo caso il vettore rappresentativo della fem -e0

è in anticipo su quello della tensione vS , l’angolo di potenza δ è da considerarsi negativo e pertanto la coppi elettromotrice è negativa. Essa corrisponde infatti alla coppia resistente sviluppata dal generatore sincrono per equilibrare la coppia motrice applicata all’asse dal motore primo. Il generatore pertanto converte la potenza meccanica fornita all’asse dal motore primo in potenza elettrica trasferita al carico collegato ai morsetti esterni

Andata a regime del motore sincronoIn regime permanente la velocità del motore è quella di sincronismo. Per portare il motore a tale velocità possono essere impiegate diverse possibili tecniche:

• si utilizza un motore di lancio• si alimenta il motore a frequenza variabile; questa varia con continuità a partire da valori molto bassi fino a giungere, con variazione molto lenta, alla frequenza nominale; • sul rotore è posto oltre all’avvolgimento monofase

d’eccitazione una gabbia, che consente l’avviamento in regime asincrono del motore

Avviamento asincrono del motore sincrono

Il campo rotante creato dalle correnti statoriche interagisce siacon la gabbia, producendo effetti analoghi a quelli del motore asincrono trifase, sia con l’avvolgimento monofase d’eccitazione. Se questo è attraversato dalla corrente stazionaria Ie si determina sul rotore una forza alternativa di pulsazione sω. Infatti il valore della forza Fk, agente su un generico conduttore rotorico attraversato dalla corrente stazionaria Ie e di posizione αk, è dato da:

ekMekk LItpBLIBF )cos(2

3

)cos(2

3tspLIB keM

%

Per evitare le oscillazioni che tale forza alternativa produrrebbe,il circuito di eccitazione è alimentato con la corrente Ie solo quando il motore si trova nell’intorno della velocità di sincronismo. Delle oscillazioni transitorie comunque insorgono e sono smorzate dalla gabbia rotorica. Se il circuito monofase di eccitazione è chiuso, la sua interazione con il campo rotante statorico comunque modifica la caratteristica C-s.

Avvolgimento dieccitazione

Il campo rotante creato dalle correnti statoriche, avente velocità ωc=pω (campo rotante principale), induce nel circuito monofase d’eccitazione una corrente sinusoidale di pulsazione sω . Nasce così un campo pulsante con la stessa pulsazione e solidale con il rotore. Tale campo, può essere decomposto in due campi rotanti in verso opposto aventi velocità rispetto al rotore pari a sωc (campo diretto) e –sωc (campo inverso).Il campo diretto ha rispetto allo statore una velocità pari a sωc+ωr= ωc e produce pertanto effetti analoghi a quelli del campo principale. Il campo inverso ha una velocità rispetto allo statore pari a ω’= - sωc+ωr=(1-2s)ωc. Se s<0,5, ω’>0. Tale campo, agendo sullo statore, produce su questo una coppia oraria e per reazione una coppia sul rotore antioraria e pertanto di segno negativo. Per s=0,5, ω’=0 e non si ha

nessun effetto sulla coppia. Per s>0,5 il campo inverso rotorico produce una componente di coppia che si somma a quella prodotta dal campo rotante principale.

Cd coppia prodotta dal campo rotante principaleCi coppia prodotta dal campo di reazione inverso del circuito monofase di eccitazione %

P’ e P’’ sono 2 possibili punti di lavoro corrispondenti a 2 possibili condizioni di carico. P’’ evidenzia una situazione eventuale di stallo che impedisce la sincronizzazione. Per evitare tale rischio l’avviamento asincrono può essere effettuato a circuito di eccitazione aperto oppure chiuso su una resistenza addizionale per limitare la corrente a pulsazione sω.

Oscillazioni pendolariDelle oscillazioni meccaniche del rotore insorgono, oltre che nella fase di sincronizzazione, in conseguenza di variazioni della coppia resistente di carico. Si consideri p=1.

2

2

2

2

dt

d

dt

d

%

ttt S )()( 0

Sdt

d

dt

d

SSr sdt

d

L’equazione meccanica del moto è:

2

2

dt

dJ

Coppie agenti J è il momento d’inerzia del

rotore

Σ Coppie agenti = Coppia sincrona + coppia asincrona-CL

sin3 0

Sc

Sem X

VEC

.

Coppia sincrona

Coppia asincrona dt

dkksC

Sas

CL coppia resistente prodotta dal carico meccanico

Sc

SM X

VEC

03

LS

M Cdt

dkC

dt

dJ

sin

2

2

L’equazione è analoga a quella che regola il movimento smorzato di un pendolo. Il rotore effettua quindi le cosiddette oscillazioni pendolari intorno alla velocità di sincronismo, smorzate dalla coppia asincrona esercitata dalla gabbia se esiste. Questa può essere dimensionata anche per l’avviamento asincrono del sincrono o soltanto per smorzare le oscillazioni pendolari. In tale caso prende il nome di gabbia smorzatrice.

Coppia di smorzamento che si oppone alle variazioni di δ

Eccitazione del motore

Eccitazione senza l’impiego di un generatore ausiliario. Ilponte si trova nello spazio fisso. La fornitura di corrente continua dal ponte all’avvolgimento di eccitazione avviene tramite un sistema di spazzole ed anelli

%

Il motore è definito “senza spazzole”. L’eccitatrice è una macchina sincrona funzionante da generatore. In essa il . , circuito d’eccitazione in continua è nella parte fissa e

%

l’indotto trifase in alternata è montato in asse con il motore da eccitare. Anche il ponte a diodi alimentato da tale indotto viene montato sul rotore del motore. Il sistema è compatto, stabile, affidabile, con ingombri relativamente limitati e senza i problemi di esercizio creati dalle spazzole. Le prime istallazioni sono state fatte a bordo degli aerei, che richiedevano bassi pesi ed alte velocità, che comportavano una forte usura delle spazzole. Oggi sono largamente diffusi con potenze sempre maggiori.

Configurazioni rotoricheRotore cilindrico

Sul rotore è posto oltre all’avvolgimento d’eccitazione una gabbia simmetrica di smorzamento delle oscillazioni. Questa eventualmente può essere dimensionata per l’avviamento asincrono del motore.

Motore a poli salienti

Sul rotore è posto oltre all’avvolgimento d’eccitazione una gabbia incompleta di smorzamento delle oscillazioni. Sia nella macchina liscia che a poli salienti l’avvolgimento d’eccitazione può essere sostituita da magneti permanenti. %

Rotore a poli salienti

%

Rotore a poli salienti

Corpo statore

Impiego delle macchine asincrone e sincrone nella propulsione navale elettrica

Propulsione navale meccanica ed elettrica

Vantaggi della propulsione elettrica

• Assenza della connessione meccanica tra motore primo e albero porta elica e conseguentemente dei riduttori meccanici

• Miglioramento del layout della nave, poiché non è più necessario mettere i grandi motori termici (gruppi diesel o turbine) in asse con l’elica ma soltanto i motori elettrici di dimensioni minori.

• Conseguente collocazione dei motori primi in posizioni più vantaggiose ai fini di una più razionale utilizzazione degli spazi interni e dello smaltimento dei fumi

• Riduzione di consumi ed emissioni• Miglioramento delle vibrazioni che il motore primo

trasmetteva allo scafo e conseguentemente del comfort dei passeggeri

• Largo impiego dell’elettronica di potenza con conseguente regolazione fine dell’azionamento, migliore flessibilità di manovra e crescenti livelli di automazione

• Conseguenti prestazioni dinamiche migliori della nave • Incremento della sicurezza delle apparecchiature.

Principali campi d’impiego dellapropulsione elettrica

Le applicazioni oggi più diffuse sono le navi da crociera, rompighiaccio, navi oceanografiche, navi posacavi e posatubi, mezzi sottomarini, fregate. Il rapido sviluppo dell’elettronica di potenza, prospetta anche applicazioni per navi cisterna, navi da carico e traghetti

Schema semplificato dell’impianto elettrico di una nave AES (All Electric Ships)

La La propulsione elettrica prevede l’impiego per ogni elica di un azionamento formato da un motore elettrico in sostituzione del tradizionale motore diesel e di un convertitore statico atto ad alimentarlo ed a regolarne la velocità.L’ architettura di tipo “tutto elettrico” AES è fondata sul cosiddetto sistema elettrico integrato (IPS Integrated Power System) che comporta una radicale rivisitazione dell’impianto elettrico di bordo, il quale deve assicurare le necessarie capacità di generazione,regolazione,e distribuzione dell’e.e. a tutti gli utilizzatori. L’IPS racchiude la centrale elettrica di bordo, basata sull’insieme di generatori connessi ad una sbarra principale: da essa vengono alimentati,direttamente oppure tramite trasformatori o convertitori elettronici, tutti i carichi di bordo..

Confronto tra motore asincrono e sincrono

Vantaggi asincrono• Versatilità• Robustezza• Elevata coppia anche a

bassa velocità se opportunamente regolato

• Assenza di contatti striscianti

• Compattezza• Basso costo

Vantaggi sincrono• Velocità di rotazione

eguale alla velocità di sincronismo imposta dalla frequenza

• Fattore di potenza prossimo a 1

• Regolazione fine della velocità

• Elevato traferro

Confronto tra motore asincrono e sincrono

Svantaggi asincrono• Limitazione di potenza• Corrente di spunto

elevata in assenza di avviatore o sistemi di controllo

• Fattore di potenza minori di 1

• Valori usuali di traferro minori di un sincrono di eguale taglia

Svantaggi sincrono• Presenza del circuito di

eccitazione e suo alimentatore (eccetto i motori a magnete permanente)

• Maggiori oneri di manutenzione

• Maggiore ingombro e peso per potenze medie e piccole.

I sistemi attualmente più diffusi sono basati sull’impiego di

Motore asincrono alimentato da un convertitore a circuito intermedio per una potenza massima per elica di 8-10 MW

Motore sincrono alimentato da un cicloconvertitore per una potenza massima per elica di 30 MW