14 PARTE 1 RICHIAMI SUI SISTEMI TRIFASE E INTRODUZIONE ALLE MACCHINE ELETTRICHE

Collegamento a triangoloI tre avvolgimenti dell’alternatore vengono collegati in serie tra loro e la stessa cosa viene fatta per le tre impedenze dell’utilizzatore; i vertici dei triangoli vengono poi collegati tra loro come riportato nella figura 1.3. Con questa connessione i fili di collegamento sono soltanto tre (indipendentemente dalle condizioni del carico) e, non esistendo più il neu-tro, non esistono le tensioni di fase E ma soltanto quelle concatenate U. In questo caso si hanno due tipologie di correnti:

l correnti di linea (IL1, IL2, IL3) che percorrono i conduttori che collegano i vertici dei triangoli;

l correnti di fase (I1, I2, I3) che, circolando nelle impedenze dell’utilizzatore, scorrono tra uno e l’altro dei conduttori di linea, per cui si ha:

IL1 5 I12 2 I23 ; IL2 5 I23 2 I12 ; IL3 5 I31 2 I23

Queste eguaglianze, in caso di carico simmetrico ed equilibrato, determinano la relazio-ne: IL 5"3 # I .

Nelle figure 1.2 e 1.3 sono state proposte le due configurazioni tipo: stella-stella e trian-golo-triangolo, ma sono possibili anche le combinazioni stella-triangolo e triangolo-stella, con le conseguenti combinazioni delle tensioni e delle correnti di linea e di fase.

Se le tre impedenze dell’utilizzatore Z1, Z2, Z3 producono differenze nei moduli delle tensioni di fase o modificano le rispettive fasi, il sistema generatore-utilizzatore risul-ta squilibrato. Questo accade per esempio quando i moduli delle tre impedenze sono uguali ma (a causa di differenze nelle componenti reattive) ciascuna determina sfasa-menti diversi dalle altre. Ovviamente, in questo caso non è più possibile eliminare il con-duttore neutro nei collegamenti stella-stella e non risulta più verificata l’uguaglianza tra le correnti di linea in quelli triangolo-triangolo.

Nei sistemi trifase, come in tutti i sistemi in alternata, si individuano tre tipi di potenza: attiva, reattiva e apparente, legate tra loro attraverso il fattore di potenza, che è rap-presentato dal coseno dell’angolo di fase.

1.3 Carichi trifase squilibrati

1.4 La potenza nei sistemi trifase

Fig. 1.3 a) Collegamento a triangolo.b) Rappresentazione vettoriale delle correnti di linea e di fase.

a) b)

15Unità 1 Richiami sui sistemi trifase

Potenza attivaIn ciascuno dei due tipi di collegamento (stella e triangolo), la potenza attiva vale:

P 5"3 # U # I # cosw

dove:

l U 5 tensione concatenata;l I 5 corrente di linea;l w 5 angolo di sfasamento.

Potenza reattivaCon gli stessi parametri precedenti di tensione e corrente, risulta:

Q 5"3 # U # I # sinw

Potenza apparentePer definizione è:

Pa 5"P2 1 Q2

pertanto risulta:Pa 5"3

# U # I

Fattore di potenza

Poiché P 5"3 # U # I # cosw e S 5"3

# U # I, risulta:

P 5 Pa# cosw

da cui:

cosw 5P

S

Un carico reattivo determina uno sfasamento tra la tensione e la corrente: in particolare, se è prevalentemente induttivo, la corrente risulta in ritardo rispetto alla tensione; se è prevalentemente capacitivo, la tensione è in ritardo rispetto alla corrente. La potenza attiva P assorbita da un circuito è funzione del fattore di potenza cosw , mentre quella reattiva Q è funzione del seno dell’angolo w. Per ottimizzare il rendimento del generatore è opportuno che la potenza assorbita dal carico sia prevalentemente attiva; questo significa che deve risultare cosw 5 1, ovvero w 5 0. L’ente fornitore d’energia impone che il valore di cosw non scenda al di sotto di 0,8.In genere, nelle utenze industriali lo sfasamento è determinato da motori elettrici, che costituiscono carichi prevalentemente induttivi. Per rispettare le condizioni dell’ente erogatore, occorre compensare cosw, cercando di renderlo il più possibile prossimo a 1.La compensazione si effettua inserendo, in parallelo al carico che determina sfasamen-to, una impedenza di tipo opposto quindi, nel caso di motori, il rifasamento viene effet-tuato mediante condensatori. Per il calcolo dei condensatori di rifasamento, nel caso di tensione alterna trifase con pulsazione v e tensione di linea U, il valore del condensato-re di rifasamento è dato dalle relazioni:

l carico a triangolo: C 5P (tgw 2 tgw9 )

3 # v # U2

l carico a stella: C 5P (tgw 2 tgw9)

v # U2

essendo:

l w l’angolo di sfasamento che occorre correggere;l w9 l’angolo di sfasamento che occorre ottenere per rispettare le condizioni dell’ente

erogatore.

1.5 Rifasamento dei carichi

16 PARTE 1 RICHIAMI SUI SISTEMI TRIFASE E INTRODUZIONE ALLE MACCHINE ELETTRICHE

Richiamo sui circuiti magneticiunità 2.

l Il campo magnetico è la zona di spazio entro la quale si manifesta una forza su un polo magnetico d’intensità unitaria. Il campo si misura mediante il vettore H [N/Wb oppure A/m] e può essere prodotto da un magnete permanente, da una corrente elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo.

l Si definiscono linee di forza del campo, le linee che risultano tangenti in ogni punto al vettore H allorchè si esplora l’intorno del magnete con un polo unitario; tali linee sono solenoidali, ovvero definiscono percorsi chiusi che vanno dal nord al sud del magnete.

l L’induzione magnetica è il fenomeno che si manifesta in un corpo immerso in un campo magnetico; si esprime mediante un vettore B la cui intensità viene espressa in tesla. Il legame tra il campo magnetico H e l’induzione B è rappresentato dalla permeabilità magnetica m. Per individuare il comportamento magnetico dei mate-riali, si fa riferimento alla permeabilità relativa (rispetto a quella del vuoto m0)

mr 5m

m0

. In base al valore di mr le sostanze si dividono in paramagnetiche (mr $ 1),

diamagnetiche (mr # 1) e ferromagnetiche (mr variabile da alcune centinaia ad alcu-ne migliaia).

l Si definisce flusso di induzione magnetica attraverso una superficie, il numero di linee di forza del campo magnetico che attraversano la superficie, ovvero che si concatenano con essa (fig. 2.1). Il flusso si misura in weber [Wb].

l Lo studio dell’elettrotecnica si occupa dell’elettromagnetismo, cioè dei campi magnetici prodotti da circuiti elettrici e questi si riassumono in tre principi.

1. Effetto Oersted. Qualsiasi conduttore percorso da corrente crea nello spazio cir-costante un campo magnetico. In particolare, il fenomeno della generazione di campo magnetico mediante un conduttore percorso da corrente è descritto dalla legge della circuitazione (legge di Ampère). Noto che con circuitazione di un vetto-re lungo una linea chiusa si intende il lavoro compiuto dal vettore per spostare un punto lungo la linea, la legge di Ampère afferma che la circuitazione di un campo magnetico H è uguale alla corrente I che attraversa una superficie avente quella linea come contorno. Da questo discende che in un conduttore percorso dalla cor-rente I, l’intensità del campo B 5 m ? H lungo una circonferenza di raggio r avente al centro il conduttore, vale:

B 5 mL

2p # r

Fig. 2.1 – Induzione magnetica prodotta da un magnete permanente e flusso attraverso una superficie.

2.1 Circuiti magnetici

17Unità 2 Richiamo sui circuiti magnetici

All’interno di un solenoide di lunghezza L, formato da N spire, risulta:

B 5 mN # I

L

2. Forza di Lorentz. Se un conduttore di lunghezza L percorso da corrente I viene immerso in un campo magnetico d’induzione B, agisce su di esso una forza F avente direzione perpendicolare al piano formato dal conduttore e dal campo magnetico (induzione) e verso determinabile con la regola della mano sinistra; l’intensità della forza (fig. 2.2) è:

F 5 B ? I ? L ? sina

La forza di attrazione di un elettromagnete è F 5B

2

mS , essendo B l’induzione e S

la superficie perpendicolare alle linee di forza.

3. Legge di Lenz. Quando un conduttore è immerso in un campo magnetico che subisce variazioni, nasce in esso una forza elettromotrice i cui effetti sono tali da opporsi alle cause che hanno generato la variazione. Quest’ultima può essere determinata spostando il conduttore in modo che tagli le linee di forza del campo magnetico, oppure spostando il campo magnetico stesso.

l Un circuito magnetico è costituito da una successione di elementi di materiale fer-romagnetico entro cui scorrono le linee di flusso; ovviamente le linee di flusso privi-legiano gli elementi di percorso a elevata permeabilità. Tra circuiti elettrici e circuiti magnetici esiste un’analogia di comportamento, che consente di estendere ai circuiti magnetici i metodi per la risoluzione dei circuiti elettrici.

Possono far parte del circuito anche brevi tratti di materiale non ferromagnetico o di aria, detti traferri (che per un circuito magnetico equivalgono a resistenze di valore elevato in un circuito elettrico). Il funzionamento dei circuiti magnetici è descritto dalla legge di Hopkinson:

R ? F 5 N ? I

l R 5 L

m # S indica la riluttanza, è analoga alla resistenza in un circuito elettrico e si

misura in henry alla meno uno [H21]. l F 5 B ? S è il flusso che attraversa una superficie S disposta perpendicolarmente

alle linee di flusso.

l Un conduttore che, percorso da corrente, genera un campo magnetico è immerso nel suo stesso campo, pertanto una variazione di corrente produce effetti tesi a opporsi alla variazione, nel rispetto della legge di Lenz.

Fig. 2.2 – Forza di Lorentz.

2.2 Induttanza, isteresi, mutua induzione

19Unità 4 Generalità sulle macchine elettriche

Generalità

sulle macchine elettriche

unità 4.

In generale per macchina s’intende un sistema o un’apparecchiatura in cui avviene la trasformazione di un tipo d’energia in un altro tipo.

Si può quindi schematizzare una macchina generica (fig. 4.1a) in un blocco in cui vi è un’energia entrante, cioè fornita alla macchina, trasformata nella forma di energia uscente utilizzabile da altri apparati. Quando una macchina può funzionare anche se il flusso dell’ener-gia s’inverte, cioè quello uscente diventa entrante e vice-versa, si dice che la macchina è reversibile (fig. 4.1b).Se almeno una delle due forme di energia è di natura elettrica, allora si hanno le macchine elettriche.In base alla modalità di funzionamento che trasforma e trasferisce in uscita l’energia entrante, le macchine elettriche possono essere classificate in:

l statiche, per il cui funzionamento non è necessario alcun componente in movimento;l dinamiche, in cui vi è almeno un componente che ha un movimento fondamentale

per il corretto funzionamento della macchina stessa.

Di norma le macchine elettriche statiche hanno le due forme d’energia (entrante e uscente) di natura elettrica anche se con caratteristiche differenti; mentre in quelle dinamiche una delle due forme d’energia è di solito di natura meccanica.

Esistono ulteriori dispositivi in cui sono coinvolte, oltre a quella elettrica, altre forme d’ener-gia non meccaniche (ad esempio l’energia luminosa, quella termica, chimica ecc.) ma tradi-zionalmente questi dispositivi non sono classificati come macchine elettriche.

Tra le macchine elettriche statiche sono compresi i trasformatori e i convertitori elet-tronici di potenza.

l I trasformatori funzionano in AC e sfruttando l’interazione tra fenomeni elettrici e magnetici nonché le regole dei circuiti magnetici, possono trasformare la tensio-ne d’ingresso in una tensione d’uscita con valore efficace modificato (aumentato o diminuito) mantenendo costante la frequenza.

l I convertitori elettronici di potenza (convertitori statici) per il loro funzionamento utilizzano componenti elettronici di potenza non lineari e sono distinti in:

1. convertitori DC/DC, detti anche chopper, che modificano la tensione continua in ingresso in un’altra sempre continua, in uscita, di valore diverso;

2. convertitori DC/AC, detti anche inverter, che convertono la tensione continua d’ingresso in un’altra alternata d’uscita di cui si può regolare, in genere, sia l’am-piezza sia la frequenza;

4.1 Le macchine elettriche e loro classificazione

®

4.2 Macchine elettriche statiche

Fig. 4.1 – Schema logico a bloc-chi di una macchina: a) macchina generica; b) macchina reversibile.

a)

b)

Nota ®>

20 PARTE 1 INTRODUZIONE ALLE MACCHINE ELETTRICHE

3. convertitori AC/DC, detti anche raddrizzatori, che convertono la tensione alterna-ta d’ingresso in un’altra continua d’uscita; se è possibile regolare l’ampiezza della tensione d’uscita si dice che il raddrizzatore è controllato, nel caso opposto si ha un raddrizzatore non controllato;

4. convertitori AC/AC che consentono di convertire la tensione alternata d’ingresso in un’altra alternata d’uscita della quale si può regolare sia l’ampiezza sia la frequenza.

4.3 Macchine elettriche dinamiche

4.4 Struttura delle macchine elettriche

Le macchine elettriche dinamiche sfruttano le relazioni che esistono tra fenomeni elet-trici, magnetici e meccanici, e possono essere classificate in vari modi in funzione delle caratteristiche considerate.

l In funzione della forma d’energia entrante, si possono distinguere in:

– motori, se la prima è di natura elettrica e quella uscente è di natura meccanica; – generatori, se la prima è di natura meccanica e quella uscente è di natura elettrica.

l In funzione del tipo di tensione, si possono distinuguere in:

– macchine in DC (motori e generatori, quest’ultimi detti anche dinamo); – macchine in AC trifase suddivise a loro volta in motori asincroni trifase e macchine

sincrone (motori e generatori, quest’ultimi detti anche alternatori trifase).

Vi è poi una serie di motori generalmente denominati speciali che derivano più o meno direttamente dai tipi di motori sopraccitati:

l motore asincrono bifase;l motore asincrono monofase;l motore asincrono a poli schermati;l motore in DC a magneti permanenti;l motore monofase a collettore o motore universale;l motore sincrono a riluttanza;l motore sincrono a isteresi;l motore sincrono a magneti permanenti;l motore sincrono brushless;l motore passo-passo;l motore lineare a induzione.

Tutte le macchine elettriche, fatta eccezione per i convertitori statici, presentano una struttura costruttiva che deriva dal fatto che il loro funzionamento si basa sulle leggi dell’elettromagnetismo e dell’induzione elettromagnetica. Esse, infatti, possiedono una tipologia costruttiva formata da:

l una parte elettrica (avvolgimenti) costituita dai conduttori isolati avvolti in matasse, o spire, destinati a generare i flussi magnetici o essere sedi delle f.e.m. indotte;

l una parte magnetica (detta anche nucleo) formata da lamierini di materiale ferro-magnetico disposti a pacco, destinati a convogliare i flussi magnetici e a effettuare il concatenamento elettromagnetico degli avvolgimenti;

l una parte meccanica che, pur non partecipando ai fenomeni elettromagnetici pre-senti nella macchina, è indispensabile per rendere funzionante il tutto; è formata essenzialmente dalla carcassa, dal sistema di raffreddamento, da bulloneria varia, da guarnizioni e, per le sole macchine dinamiche, dai cuscinetti, dall’albero e dal com-ponente di collegamento con l’utilizzatore.

La parte magnetica è formata da lamierini proprio per ridurre al minimo le perdite cau-sate dalle correnti parassite, o di Foucault, nonché da materiali aventi l’area del ciclo d’isteresi magnetica la minore possibile, sempre allo scopo di ridurre al minimo le perdite.La scelta delle parti meccaniche è influenzata anche dal tipo di fissaggio alla struttura portante e dal grado di protezione, o grado IP (International Protection).

21Unità 4 Generalità sulle macchine elettriche

Il grado IP è composto da due cifre caratteristiche (ad esempio IP 54) che rappresen-tano, rispettivamente, la protezione che si vuole ottenere per la macchina elettrica alla penetrazione di corpi solidi-polvere o accesso a parti pericolose (prima cifra) e alla penetrazione dell’acqua (seconda cifra). La tabella completa del grado IP è fornita nella tabella 4.1.

Tab. 4.1 – Grado IP di protezione degli involucri (da norma CEI 70-1).

Contro i corpi solidi e l’accesso a parti

pericoloseContro l’acqua

0 Non protetto.

1 Protetto contro corpi solidi di dimensio-ni . di 50 mm e contro l’accesso a parti pericolose col dorso della mano.

2 Protetto contro corpi solidi di dimensio- ni . di 12,5 mm e contro l’accesso a parti pericolose con un dito.

3 Protetto contro corpi solidi di dimensio- ni . di 2,5 mm e contro l’accesso a parti pericolose con un attrezzo (es. cacciavite).

4 Protetto contro corpi solidi di dimensioni . di 1,0 mm e contro l’accesso a parti pericolose con un filo.

5 Protetto contro la polvere e contro l’ac-cesso a parti pericolose con un filo.

6 Totalmente protetto contro la polvere e contro l’accesso a parti pericolose con un filo.

0 Non protetto.

1 Protetto contro la caduta verticale di gocce d’acqua.

2 Protetto contro la caduta di gocce d’ac-qua con un’inclinazione massima di 15°.

3 Protetto contro la pioggia.

4 Protetto contro gli spruzzi d’acqua.

5 Protetto contro i getti d’acqua.

6 Protetto contro le ondate.

7 Protetto contro gli effetti dell’immersio-ne.

8 Protetto contro gli effetti della sommer-sione.

I conduttori che formano gli avvolgimenti sono isolati, di solito, per mezzo di vernici speciali che determinano la classe d’isolamento della macchina elettrica, cioè la tempe-ratura massima che si può raggiungere senza creare cortocircuiti fra gli avvolgimenti o problemi d’isolamento verso massa a causa del deterioramento dell’isolante. Questa caratteristica è indicata da una lettera corrispondente alla temperatura limite raggiun-gibile (tab. 4.2).

Tab. 4.2 – Classi di materiali isolanti e relativa temperatura limite (da norma CEI 2-3).

Classe Y A E B F H C

Temperatura [°C] 90 105 120 130 155 180 .180

In tutte le macchine, e quindi anche in quelle elettriche, non tutta l’energia assorbita è erogata, ma una parte è “consumata” per vari motivi all’interno della macchina stessa. Questa parte di energia perduta (fig. 4.2) rappresenta sempre un’energia uscente, non sfruttabile però dai componenti posti a valle della macchina.

Si definisce rendimento h di una macchina il rapporto fra la potenza utile (uscente e utilizzabile) Pu e quella assorbita (entrante) Pa:

h 5

Pu

Pa

[adimensionale] [4.1]

Se si indica con Pd 5 Pa 2 Pu la potenza dissipata, la [4.1] diventa:

h 5

Pa 2 Pd

Pa

5 1 2Pd

Pa

[4.2]

4.5 Rendimento delle macchine elettriche

®

22 PARTE 1 INTRODUZIONE ALLE MACCHINE ELETTRICHE

Lo schema logico di una macchina reale è rappresentato nella figura 4.2.Per le macchine elettriche, le cause di perdite principali possono essere le seguenti:

l perdite per effetto Joule, che si manifestano in tutte le parti destinate a essere per-corse da una corrente elettrica;

l perdite nel ferro, che si manifestano nei materiali ferromagnetici per isteresi e cor-renti parassite;

l perdite meccaniche, che si manifestano solo nelle macchine dinamiche per la pre-senza dell’attrito presente tra organi in moto relativo tra loro e per ventilazione provocata dagli organi in movimento (ventole di raffreddamento comprese).

Vi sono altre perdite (addizionali) che si possono verificare a seconda del tipo di mac-china, per esempio perdite elettriche sui contatti striscianti (spazzole), perdite del flusso magnetico nella struttura meccanica delle macchine ecc. In generale, comunque, i rendi-menti delle singole macchine elettriche sono molto elevati variando complessivamente tra i valori limite dell’85% e 99%.

In fase di progettazione, per la scelta della macchina elettrica più idonea a un deter-minato utilizzo occorre tener conto del modo con cui è fatta funzionare. Per esempio un carico applicato in modo intermittente, con intervalli di riposo di durata sufficiente a riportare la temperatura della macchina a quella ambientale, è da considerarsi meno gravoso dello stesso carico applicato in modo continuativo. Nel caso invece in cui gli avviamenti e gli arresti della macchina sono molto frequenti, l’impiego diventa molto oneroso per effetto delle frequenti sovracorrenti di avviamento. Il tipo di carico che una macchina in generale, e un motore in particolare, può sopportare è indicato dal tipo di servizio che è necessario conoscere per il suo corretto impiego.

La norma CEI 2-3 definisce il servizio (S) come la definizione del carico al quale la mac-china è sottoposta, inclusi (se applicabili) i periodi di avviamento, frenatura elettrica, funzionamento a vuoto, riposo, nonché la loro durata e la loro sequenza nel tempo.

Per la descrizione dettagliata e i diagrammi di funzionamento relativi, si faccia riferimento al testo originale della norma CEI 2-3 già citata.

l S1 – Servizio continuo: il periodo di funzionamento è tale che la temperatura raggiunge un

valore di regime permanente compatibile con la classe di isolamento.l S2 – Servizio di durata limitata: durante il funzionamento la temperatura non raggiunge il

regime permanente perché l’intervallo fra due periodi di attività consente alla temperatura di

tornare al valore dell’ambiente.l S3 – Servizio intermittente periodico: la temperatura della macchina non raggiunge mai il

valore permanente e durante il periodo di sosta non si raffredda fino alla temperatura ambien-

tale; le punte di corrente all’avviamento non influenzano la temperatura.l S4 – Servizio intermittente periodico con avviamento: funzionamento secondo una serie di

cicli identici, ciascuno comprendente un tempo considerevole di avviamento, uno di funzio-

namento a carico costante e uno di riposo.

Fig. 4.2 – Blocco rappresentante una macchina reale il cui funzionamento complessivo è rappresen-tato dal valore del rendimento h.

4.6 Tipi di servizio

®

Nota ®>

® Esempio 4.1 (da norma CEI 2-3)