1

MACCHINE ASINCRONEMACCHINE ASINCRONE

Costruzioni elettromeccanichea.a. 2003 -04

bozza

2

ContenutiContenuti1 - 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 raffreddamento1 – 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

2 poli

4 conduttori per polo e per fase

Dimensioni e parametri caratteristici

V1, I1, f12 – Circuiti magnetici2 – Circuiti magnetici

8

velocità di rotazione del campo rotante d’induttore [giri/min]

ffrequenza di statore

flusso al traferro

10

60f

pn

p

statore

frequenza di rotore

scorrimento

S = n0 - nscorrimento assoluto

nvelocità di rotazione del rotore [giri/min]

0

0

0 n

nn

n

Ss

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

1

00

)( 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

Flusso in funzione della potenza per una macchina

asincrona

P (HP)

Wb

11

sn N

AI

3

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 Jh

bA

cc

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 - Avvolgimenti3 - 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 ondulatoStatore 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 kVRotore 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

n

nnnKE

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 elettriche4 – caratteristiche elettriche

31

Parametri elettrici dell’avvolgimento di rotore

impedenza

reattanza

L2induttanza

R2resistenza

21222 22 LfsLfX

20

2222

022

XsRZ

XsjRZ

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

P

Prendimento

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 60

2 nnCPPP mecccurot 00 60

2

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

XsR

sRnKC r

sR

ACRXss

22

22

20

2 ; 05,0

sX

ACRXss

1 ; 2,0

20

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

X

Rsm

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

2X

nKC rmax

Coppia massima

37

C

ns0

01

n0

Cmax

Cavv

R2aR2b

R2c

R2d

R2a < R2b < R2c < R2d

R2c = X0

Caratteristica meccanica

on

nns

0

0)1( nsn

0

02

2X

nKC rmax

coppia massima

scorrimento per la coppia massima

sm = R2/X0

coppia di avviamento massima per

R2 = X0 (sm = 1)

38

0

02

2X

nKC 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

10

60f

pn

nnnn

nnnsfs

pf

pn

pp

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 I1I2

1

12 s

RR

Circuito equivalente

R1 R2

Rp

X1 X2

Xm

E1 E2V

I1tI1 I2

41

Fattore di trasporto K

rtar

stas

NEf

NEfK

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

I1tI1 I2

Iv: corrente a vuoto

Ip: corrente di perdita

Im: corrente di magnetizzazione

Ip<<Im

Corrente a vuoto

44

Perdite a vuotop

ppp R

VIRP

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

1

12 s

RR

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

1

12 s

RR

2222 cccu IRP

22

2n

nn I

s

RC

222 ccavv IRC

Rapporto fra coppia di avviamento e coppia nominale

Funzionamento a carico nominale

Funzionamento allo spunto (corto circuito)

s

R

sRRR t

2222 1

1

tnt

nnnnn RIZ

RIZIIEC 2

22

2

2222220 cos

48

O’

O

A

B

I0

Icc

V1

D

C

ABAD2

1

Costruzione del diagramma circolare

5 – diagramma circolare5 – diagramma circolare

49

O’

O

AI0

Icc

V1

C

I21

I1

Diagramma circolare – tensioni e correnti

AC

OC tiene conto del fatto che I0 varia col carico e quindi con lo scorrimento

AC

OCKII 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 potenza

rotore nel perdites

222 cosIVPtrasmessa

22IVPtrasmessa

scorrimento

BlNffV sa 22 B

J

fl

l

fBlNff

INS

l

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

V

IR

IV

IRs

sc

c NS

lR 2

53

0I0

Icc

V1

perdite rame rotore

perdite rame statore

perdite a vuoto

Ptrasmessa

C

retta delle coppie

0 60

2nCPtrasmessa

tras

tras 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

Cavv

CnIn

44,0cos

19,0cos

81,0cos

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.

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 gabbia6 – rotori a gabbia

58

Is

Ia

Corrente negli anelli Ia e nelle sbarre Is

per Ng grande, piccolo

Ia

I’a

Is

g

aas N

psenIsenII

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 dc

resistenza di rotore R2 alla frequenza di rotore f2 (R2dc = resistenza di rotore in continua)

rotore

statore

gabbia secondaria

Rs ; Xs

gabbia primaria

Rp ; 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

sRX

sRX

ss

pp

sRX

sRX

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

h

INfM 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 armonici7 – 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. 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

4872

8

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 statore

Numero 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 macchina8 – parametri caratteristici di una macchina

69

femecc PP

n

avv

I

I

n

avv

C

C

nC

Cmax

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

n

nns

n

nns

1 0,8 0,6 0,4 0,2 00,2 0,4 0,8s20,6

coppia risultante

21 CCCr