progetto nave

7/29/2019 progetto nave

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Macchine elettriche

Macchine statiche

Macchine rotanti

Macchine a corrente continua

Macchine in corrente alternata

Macchine motrici

Macchine generatrici


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Principio di funzionamento delle macchine elettriche (generatore)

v

cde

dt

=

( )eF q v B=

Sugli elettroni di conduzione

agisce la forza di Lorentz +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

A

B

v

Be

Tra i punti A e B si genera una differenzadi potenziale (f.e.m.) indotta tale da

opporsi alla causa che lha generata

e v B l=

Il secondo membro la variazione delflusso concatenato con il circuito

cd Bl vdt =

e


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Rv

EI

R=

Chiudendo il circuito sulla

resistenza R circola unacorrente indotta

v

BI

I

Abbiamo quindi un conduttorepercorso da corrente che si muove inun campo magnetico

F I l B=

Tale forza si oppone al moto del conduttore

F e


+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

A

B


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+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Rv

mP F v=

Per mantenere il conduttore in

moto con velocit v occorrefornire potenza meccanica

A

B

v

BI

IF

Bl I v=

che in assenza di perdite si ritrovatrasformata totalmente in potenzaelettrica

m eP Bl I v E I P= = =

e



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v

Sostituiamo la resistenza R con

una sorgente di di tensioneesterna V

g

v

BI

I

il conduttore percorso da unacorrenteIche interagisce con un

campo magnetico generando una

forza

F I l B=

Tale forza sar equilibrata da un carico meccanicoesterno e muover il conduttore con una velocit v.

F

e

Principio di funzionamento delle macchine elettriche (motore)

+

-Vg

di nuovo si ha un conduttore che si muove con velocit v in un campo magnetico B

e nasce una f.e.m. che si oppone alla causa (Vg) che lha generata

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

A

B


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+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

v

La sorgente di energia esterna

deve fornire una tensione ingrado di mantenere nel circuitola correnteI. A

B

v

BI

I

F

e+

-

Principio di funzionamento delle macchine elettriche (motore)

Vg

La potenza elettrica erogata

e gP V I= E I= v Bl I =

F I l B=

Ricordando che

eP F v= mP=


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Il funzionamento delle macchine elettriche presuppone linterazione tra un campomagnetico e un circuito elettrico. Nella maggior parte delle macchine elettriche(ma non tutte) il campo magnetico generato da un opportuno circuito elettrico

Principio di funzionamento delle macchine elettriche

Il circuito magnetico costituito da Statore, Traferro, Rotore


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Pcu = 40 W/kg

Rendimento della macchina elettrica

Rendimento della macchina elettrica m

ass

P

P =

Pcu = R I2

Perdite per effetto Joule nei

conduttori (rame, alluminio)

Circuito elettrico

Perdite per effetti legati alcampo magnetico nella

struttura della macchinaCircuito magnetico

Perdite per correnti parassite

Perdite per isteresi


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Perdite meccaniche

Perdite per attrito nei cuscinetti

Perdite per ventilazione

Perdite per attrito nei contatti striscianti (se presenti)


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Il Motore a Corrente Continua (c.c.)


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F Bl i=

F q v B=

Su un conduttore di lunghezza l percorso dacorrente ed immerso in un campo magnetico Bagisce la forza di Lorentz

F i l B=


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2mT F r= 2B l i r=

Sagomando il conduttore a forma di spiranasce una coppia Tm, massima se langolo trail piano della spira e la direzione del campomagnetico nullo

Il passaggio di corrente dalla sorgente esternaverso la spira in maniera da realizzare unacoppia diretta sempre nella stessa direzione reso possibile dal collettore, costituito da duesemi anelli di rame su cui poggiano due

spazzole di grafite

Con una spira il motore ha un moto che risultaabbastanza irregolare


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Si utilizza quindi un maggior numero diconduttori e si sagoma il circuito magnetico(costituito dallo statore con le espansionipolari, dal traferro e dal rotore) in modo daottenere un campo magnetico il pi possibileradiale (in corrispondenza del traferro)

Ogni spira percorsa da corrente ed

collegata ad un lamella sul collettore

Le forze sono orientate sempre in maniera dagenerare coppia


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2mT N B l r i= m TT K i=

In pratica si realizza un unico filo. Ogni singoloconduttore percorso da una corrente pari alla met di

quella fornita dallalimentazione esterna


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2 cos mB l r =

( ) 2 cos mt Blr t =d

e

dt

=

cos2

md te Blr dt

= 2 m me Blr sen t =

La spira attraversato da un flusso magnetico

dipendente dal coseno dellangolo tra lanormale alla superficie e la direzione delcampo magnetico

Quando la spira ruota (e solo allora) si ha unavariazione del flusso concatenato nel tempo

che provoca lanascita di una f.e.m.

Considerando un circuito costituito da Nspire che risulta quasi stazionario 2 me NBlr =

V me K =


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Durante la rotazione del collettore la spazzole inevitabilmente cortocircuiteranno una maglia del

circuito darmatura

La differenza di tensione tra due lamelle contigue data dalla caduta resistiva nel tratto diconduttore che le collega e alle f.e.m. di reazione che si generano nei conduttori

Nella spira Sc che in corto circuito circola una corrente i che dovuta essenzialmente alla f.e.m.indotta; una volta che la spazzola raggiunge la lamella di destinazione, questa corrente vieneinterrotta creando una sovratensione che genera scintillamento alle spazzole

Per limitare questo effetto, che provoca usura delle lamelle, si sistemano le spazzole in unaposizione tale che le spire interessate dal fenomeno sono ortogonali al flusso magnetico.


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ia ia

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

N S

0.5 ia 0.5 ia

v


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ia ia

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

N S

0.5 ia 0.5 ia

v


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ia ia

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

N S

0.5 ia 0.5 ia

v


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Le correnti che circolano nelle spire del rotore generano a loro volta un campo elettromagnetico

che deforma quello statorico

La deformazione del campo dipendente dallintensit della corrente rotorica


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In conseguenza della deformazione del campo dovuta alla presenza delle correnti rotoriche si ha

lo spostamento dellasse neutro.

Anche questo spostamento dipende dalla corrente che circola nel rotore

In corrispondenza delle spazzole si verifica quindi il fenomeno dello scintillio che va sotto il nomedi flash al collettore.

Per ovviare a questo fenomeno si possono realizzare degli avvolgimenti di compensazione,costituiti da conduttori che, posti in serie al circuito darmatura, sono percorsi anchessi dallacorrente rotorica. Si genera cos un campo magnetico che annulla la distorsione dovuta alcampo rotorico


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a

diV R i L edt= + +

circuito darmatura equivalente


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Equazione dellequilibrio dinamico

m r

dJ T T

dt

=

Tr la risultante delle coppie agenti sulla macchina, tra cui si considerano gli attriti propri delmotore, legati alla velocit angolare dal parametro B (ipotizzando un dipendenza puramentelineare)

m rext

dT J B T

dt

= + +


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Il campo magnetico statorico pu essere realizzato con un circuito separato, detto di

eccitazione, caratterizzato da una propria resistenza e induttanza

f

f f f f

diV R i L

dt= +

In questo caso il campo magnetico non sar pi costante ma proporzionale alla corrente di

eccitazione if.

Poich questo circuito deve generare un campo magneticoLf sar certamente molto pi grande

diLa.


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La relazione che lega il flusso magnetico dello statore alla corrente di eccitazione

f f sN i =

Anche la f.e.m. indotta e dipende dal flusso (legge di Lenz)

ove: R la riluttanza del circuito magnetico

Nf il numero di spire del circuito di eccitazione

if la corrente di eccitazione

R eNf sono costanti del motore, quindi c proporzionalit tra corrente di eccitazione e flusso

magnetico

f

s f

N

i =

m se k = '

m fk i =

Anche la coppia meccanica dipende dalla corrente di eccitazione

m m s aT k i= '

m f ak i i=

i coefficienti km

sono uguali per la coppia e la f.e.m. indotta se il motore ha lavvolgimento di

compensazione


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a

a a a a

di

V R i L edt= + +

"

m f me k i =

'

m m f aT k i i=

f

f f f f

diV R i L

dt= +

m r

dJ T T

dt

=

Equazioni della dinamica del motore in corrente continua

Nel caso pi generale di motore non compensato km km

v mk =

T ak i=


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a regime

m T aT k i=a

T

V ek R

=

a v mT

a

V kk R

=

T vTm a m

a a

k kkT VR R

=

'

"

T m f

v m f

k k i

k k i==


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T

T a

a

k V

R

a

v

V

k

Limiti della caratteristica statica del motore in corrente continua


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T

T a

a

k V

R

a

v

V

k

Caratteristica statica del motore in corrente continua

aV

max maxT aT k i=

curva di massima potenza

curva di massimacorrente

curva di carico


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Tipologie motori in corrente continua


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T

a

v

V

k

Caratteristica statica del motore in corrente continua

fi

curva di massima potenza


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ia Tm

Modello motore a corrente continua

1velocit angolare

[rad/s]

kv

kv

kt

kT

1

J.s+B

Meccanica

1

Coppiaresistente

1

La.s+Ra

Circuito d'armatura

1Va


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Dati motore per simulazione

P = 75 kW

Va = 400 V

s = 750 rpm

= 78.5 rad/s

= 0.95

m = 2 s


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Dati motore calcolati per simulazione

P = 75 kW

Va = 400 V

s = 750 rpm

= 78.5 rad/s

= 0.95

Ia max = 187.5 A

2

aa

a

PR

I=

Pa = 0.05 P = 3.75 kW

0.1=

La = 5 mH


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a regimea a a gV R I e= +

moltiplicando per Ia2

a a a a g aV I R I e I = +

mg

a

PeI

= 71.25 380187.5

V= = gg v v

ee k k

= = = 4.841

mm m m

PP T T

= = = 908 Nm

max

max

m

m T T

TT k I k

I= = = 4.843


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Perdite per attrito assunte pari al 2%della potenza totale

2

dissP B=


Pdiss = 0.02 P = 1.5 kW

2

dissPB

= = 0.243 Nms/rad

La costante di tempo meccanica (delsolo motore) ipotizzata pari a 1.6secondi

m JB

=

J = 908 1.6 0.243 = 18.5 Nms2/rad

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