Prerequisiti: La comprensione di questo tutorial è subordinata all’ acquisizione dei concetti forniti a glossario del tutorial precedente “motori in continua” edito su grix. Il glossario non viene riportato in questa estensione del medesimo argomento perché significherebbe fare un semplice copia e incolla con perdita di tempo e chiarezza. Stampatevi il glossario tenetelo sotto mano durante la lettura di queste pagine.

In ambito industriale quelle nozioni non bastano, e si sconfina nel campo di lavoro degli elettrotecnici.

La limitazione di quella esposizione è stata dimensionata sul fatto che gli elettronici si troveranno praticamente sempre ad operare con piccoli motori in continua (o piccolissimi) solitamente utilizzati negli asservimenti integrati in dispositivi elettronici in cui questo aspetto è prioritario.

 C.E.I. : comitato elettrotecnico italiano, emette delle norme di riferimento utili a confrontare i propri lavori con quelli definiti “a regola d’arte” per dare una conformità e vendibilità all’eseguito. Le norme CEI non sono leggi dello stato , tranne una che riguarda l’altezza minima dei conduttori di alta tensione nelle linee aeree. 

Caratteristiche: termine riferito a particolari grafici ch evidenziano il funzionamento del motore/dinamo in particolari condizioni di alcuni parametri quali la tensione di indotto V e il flusso nel circuito magnetico. Quando tra i parametri compaiono grandezze elettriche e meccaniche le curve si chiamano “caratteristiche elettromeccaniche”, quando in ascisse e in ordinate abbiamo solo parametri meccanici allora le curve assumono il nome di “caratteristiche meccaniche”. Esempio: sono caratteristiche elettromeccaniche le curve I-n  e I-C (rispettivamente caratteristica elettromeccanica della velocità e della coppia. E’ invece una caratteristica meccanica la n-C ovvero la coppia in funzione della velocità in giri al minuto.

Parastrappi: detti anche giunti elastici. Hanno l’aspetto di molle cilindriche, molto dure, ottenute per fresatura di un raccordo a tubo di acciaio vincolato da una parte al rotore e dall’altra parte alla presa di forza rotativa dell’impianto in cui il motore andrà ad operare. Non sempre sono usate, anzi delle volte risultano dannose per l’impianto dato che potrebbero innescare delle pendolazioni per reazione elastica.

Avvolgimenti compensatori: Sono collocati in cave (solitamente di tipo chiuso) ricavate sulle scarpe dell’espansioni polari dell’apparato statorico. Hanno lo scopo di produrre una f.c.m.m in grado di compensare (annullare) quella della reazione di indotto. La presenza di poli ausiliari e di avvolgimenti compensatori riporta la forma della f.m.m. messa in gioco al traferro con la macchina a carico ad essere uguale a quella che si avrebbe a macchina a vuoto (rotazione al banco senza coppia resistente). Va in fine osservato che essendo anche gli avvolgimenti compensatori collegati in serie all’avvolgimento di indotto la loro azione si può ritenere “automatica”, nel senso che più corrente passa per l’avvolgimento a tamburo più grande sarà la f.m.m. che viene messa in gioco al traferro, ma nel contempo,la medesima corrente passa negli avvolgimenti statorici di compensazione che creeranno la f.c.m.m. che si curerà di annullarla.

Poli ausiliari:Espansioni polari statoriche, poste sul piano interpolare, alimentate in serie all’avvolgimento rotorico di indotto. Hanno lo scopo di salvaguardare la macchina dallo stress della reazione elettromagnetica dell’indotto all’apparato di collettore (spazzole e lamelle). Lo scopo si ottiene in maniera ottimale se in collaborazione con la presenza degli avvolgimenti compensatori. Le espansioni polari ausiliarie sono molto strette rispetto ai poli principali e sono poste sul piano interpolare.

Grandezze nominali: sono i valori teorici ma assimilabili come pratici per i quali la macchina è stata progettata. Il funzionamento ai valori nominali danno il rendimento massimo del sistema. Le grandezze nominali più utili sono, la potenza nominale Pn (in volt ampere per le macchine in alternata e in watt per le macchine in continua), la tensione nominale Vn da applicare all’indotto, la corrente nominale In per l’indotto e Ien per il circuito di eccitazione, n nominale ovvero il numero di giri del motore quando impiegato ai dati nominali precedenti e quando stia sviluppando la cosi detta coppia nominale Cn. Questi dati sono solitamente incisi su una targhetta applicata alla carcassa del motore e costituisco appunto i dati di targa.

rendimento (eta): E' prossimo a 1 in una macchina ben progettata e funzionante alle normali condizioni di utilizzo (condizioni nominali). In percentuale un buona macchina, ben utilizzata, può avere il rendimento vicino al 98%.

Pt: potenza trasmessa elettromagneticamente dall’induttore all’indotto. Durante questa trasmissione giocano ruolo fondamentale il traferro, la forma delle espansioni polari, distribuzione e forma delle cave nell’avvolgimento a tamburo di indotto. All’origine del fenomeno ci sono le f.m.m. messe in gioco al traferro 

Dal disegno possiamo vedere che si tratta di uno statore con tre coppie polari. (contate i poli salienti indipendentemente dal fatto che siano di tipo N o S).  In bibliografia si usa indicare questa situazione con 2p=6. Risolvendo questa banale equazione risulta p=3 quindi associamo alla lettera p il significato di “coppie polari”. Se un progetto o un esercizio ci richiede la costruzione o lo studio di una generica macchina elettrica, sia questa in alternata o in continua, data con un certo numero di poli, ad esempio 8, come primo esercizio dovremmo subito ricavare le coppie polari scrivendo l’equazione appena presentata 2p=8, ovvero siamo in presenza di un motore con 4 coppie polari. Ricavare il numero di coppie polari è utile per il calcolo sia della velocità nominale (in giri al minuto, che della pulsazione angolare Ω. Si tenga ben presente che in generale una coppia  “C” è sempre in qualche maniera il risultato del rapporto di una potenza disponibile all’asse e della pulsazione angolare di come questa sta ruotando.

Specificatamente per i motori in continua la coppia C rimane definita da: C=K_c Φ I

Della sezione trasversale in figura sono indicate le seguenti parti componenti:

-1) Gioghi del circuito magnetico di statore, in materiale massiccio perché interessati da un flusso magneti costante che non comporta correnti libere di facoult. (colore azzurro).

  -2) Traferro, è l’interstizio d’aria compreso tra la parte fissa e la parte rotante (vedere glossario del primo tutorial.

  -3) apparato rotorico, di colore verde, realizzato in materiale laminato perché interessato da un flusso di induzione variabile che comporterebbe delle correnti libere all’interno delle masse con conseguente surriscaldamento fino alla distruzione. (si ricordi il principio di funzionamento dei forni ad induzione)

 -4) espansioni polari, di colore azzurro, potrebbero essere di materiale laminato benché facciano parte dell’apparato statorico.

  -5) bobine concentrate statori che di induttore. Di colore rosso, creano il flusso e la forza magneto motrice grazie alla corrente di eccitazione Ie in esse circolante.

 -6) cave rotoriche di tipo aperto

 -7) avvolgimento di indotto, rotorico, di colore giallo. L’avvolgimento rotorico in queste macchine è genericamente realizzato a tamburo. Nello specifico caso notiamo la presenza di due conduttori per cava.

 -8) lamelle del collettore, di colore arancione, in numero uguale a quello delle cave.

 -9 spazzole, organizzate a coppie che identificano il piano di commutazione o i piani.

 -10 Poli ausiliari, di colore azzurro dato che sono ricavati dalla stessa struttura statorica.

 -11 avvolgimenti ausiliari, di colore giallo, come gli avvolgimenti di indotto, per evidenziare che sono ad essi collegati in serie. L a presenza di questi può essere tralasciata nei piccoli motori ma diviene indispensabile nei motori e generatori in continua di grande potenza perché consentono di riportare a un aspetto accettabile la deformazione subita dall’induzione b a causa della presenza dell’apparato di commutazione (il collettore).

Nelle tre configurazioni che stanno per essere presentate va tenuto presente che la lettera “R” rappresenta la resistenza completa  dell’avvolgimento di indotto anche quando questo si compone di avvolgimenti ausiliari, avvolgimenti compensatori e ovviamente la resistenza delle spazzole e quella di contatto con le lamelle del collettore.

·         Caratteristica elettromeccanica della coppia

·         Caratteristica meccanica

Consideriamo inizialmente di avere a disposizione un grosso motore D.C. industriale con eccitazione a indipendente. Se osserviamo il circuito di eccitazione contemporaneamente a quello di indotto possiamo scrivere l’equazione di bilancio delle tensioni.

nK_eΦ= V-RI

n= (V-RI)/(K_eΦ)

nota:

per il significato delle costante vedi l’appendice di fine pagina.

Osserviamo che il flusso si trova a denominatore, quindi se questo aumenta a parità di altre condizioni si avrà una diminuzione del numero di giri. Guardando invece il numeratore ci si accorge che il numero di giri diminuisce se aumenta la caduta al lato indotto dato dal prodotto della corrente di indotto I e la resistenza complessiva dello stesso. Ecco che la linea “a”, corrispondente a macchina non satura tende a perdere numero di giri all’aumentare della corrente di indotto I.

Caratteristica elettromeccanica della velocità

In prossimità dell’avvenuta saturazione dei circuiti magneti, se non sono presenti gli avvolgimenti compensatori, si ha a causa dell’effetto della reazione di indotto la compensazione della caduta “RI”, pertanto la formula mostra un funzionamento della macchina a velocità costante. Infatti la curva “b” è parallela all’asse delle ordinate, ovvero anche aumentando la corrente di indotto la velocità rimane costante.

Se ci fossero gli avvolgimenti compensatori il termine a denominatore “K_eΦ” rimane costante a causa della reazione di indotto, indipendentemente dalla saturazione del circuito magnetico, quindi anche in questo caso diventa l’equazione di una retta che porta ad un funzionamento a velocità costante.

Ovviamente  il verso crescente (verso il basso) della corrente di eccitazione, indica il verso di crescita del flusso (fintanto che sia possibile aumentarlo) e del grado di saturazione del circuito magnetico.

Per lo stesso motore, con eccitazione separata, vediamo come si comporta la coppia all’asse in funzione della corrente:

Il verso crescente della corrente di eccitazione, e di conseguenza il grado di saturazione della macchina, è stavolta mediamente verso l’alto.

Ricordiamoci che la coppia è data da:  C=K_c Φ I  che avendo il flusso in proporzionalità diretta sarà influenzata in maniera diretta dal grado di saturazione dei circuiti magnetici.  Lontano dalla saturazione la curva è pertanto una retta.

Le due caratteristiche elettromeccaniche di coppia e di velocità portano direttamente alla caratteristica meccanica della coppia del grafico sottostante.

Questo grafico si ottiene in assenza di avvolgimenti compensatori. Il grado di saturazione varia da destra (minimo) a sinistra (massimo). Si nota che al variare del carico la variazione di velocità è abbastanza limitata (si vede dalla “verticalità” delle curve). La linea “a” in presenza di avvolgimenti compensatori è in realtà rettilinea e pendente verso le ordinate. A macchina leggermente satura assume un andamento verticale che mostra come rimangano costanti i giri al minuto anche al variare della coppia (a parità di corrente di eccitazione).

Si ha anche come conseguenza che il passaggio dal funzionamento come motore a funzionamento come generatore non implica un cambio del verso di rotazione ma semplicemente una variazione del regime di velocità.

Consideriamo ora la macchina con il circuito di eccitazione di tipo serie.

Vediamo l’andamento del flusso nella macchina ad eccitazione serie, in assenza di avvolgimenti compensatori,  in funzione della corrente di eccitazione Ie. 

Come si vede facilmente il punto 1 non si trova nell’origine degli assi. Questa situazione è dovuta alla magnetizzazione residua che comporta un flusso non nullo anche se non c’è alcuna corrente di eccitazione sull’omonimo circuito.

Osservando le configurazione mostrate all’inizio, e studiando il bilancio tra la fem indotta e la tensione all’indotto V otteniamo l’uguaglianza: 

nK_eΦ= V-(R+R’_s) I

da cui, risolvendo rispetto al numero dei giri dell’asse si ottiene: 

n= [V-(R+R’_s) I]/ (K_eΦ)

dove il valore di K_e è spiegato in appendice.

Ne deriva che n I =cost.

Se vogliamo ricavare la velocità da quest’ultima espressione ci accorgiamo che la corrente I passa a denominatore  definendo che non è possibile fare funzionare questo motore con I=0 in quanto la velocità tenderebbe ad infinito. Nella pratica basterà evitare di fare funzionare questa macchina con carichi troppo piccoli per non vedere insorgere delle instabilità.

Il grafico è un ramo di iperbole, che ha la singolarità nell’origine.

Sempre relativamente al motore con eccitazione serie vediamo la caratteristica elettromeccanica della coppia.

Nel tratto 3-4 della curva l’andamento non solo è lineare ma tende anche a passare per l’origine degli assi. In quel tratto il flusso e' costante.
 

La successiva “caratteristica meccanica”  mette in relazione la coppia con il numero dei giri. 

Se costruiamo la macchina con gli avvolgimenti compensatori le due curve, continua e tratteggiata coincidono sovrapposte a quella tratteggiata. 

L’eccitazione serie ha le seguenti caratteristiche:

·       Funzionamento stabile

·       Coppia di avviamento elevata

·       Coppia decrescente all’aumentare della velocità con piccole variazioni della potenza sviluppata dal motore.

·       Il motore deve funzionare con una coppia applicata all’asse non inferiore di un certo limite perché se diminuisce la coppia aumenta rapidamente la velocità (guardare la curva vicino all’asse verticale).

Per regolare la velocità di questi bestioni bisogna:

Variare la resistenza del circuito d’armatura inserendo le cosi dette “resistenze addizionali”

·        Variare la tensione di alimentazione

·        Variare il flusso tramite una variazione della corrente di eccitazione.

1.       Evitare la saturazione dei nuclei superando con la corrente di eccitazione il valore nominale

2.      Evitare di surriscaldare l’indotto facendo circolare una corrente troppo alta ovvero diversa dalla nominale.

3.      Evitare di superare la tensione nominale di alimentazione.

Vediamo come varia la coppia inserendo in serie al circuito di eccitazione (armatura) delle resistenza addizionali:

nel grafico di sinistra c’è l’effetto delle resistenze addizionali in un motore con eccitazione indipendente o derivata, mentre in quello di destra in uno con eccitazione in serie. Con Cm è indicata la coppia resistente all’albero.

Nei due grafici si suppone costante la corrente di indotto nel punto limite della coppia di avviamento Ca

Manteniamo il flusso costante pari al valore nominale e riduciamo la velocità agendo sulla tensione di alimentazione. Il diminuire la tensione a parità di grandezze di indotto fa traslare a sinistra le caratteristiche.

Variando la tensione le curve traslano a sinistra. (motore ad eccitazione indipendente o derivata, non saturo e in presenza di avvolgimenti compensatori). Detta Cm la coppia meccanica disponibile all’albero il grafico mostra come in funzione di questa cambia la velocità.

Se il motore invece di tipo ad eccitazione serie il grafico diventa:

Se si diminuisce la corrente di eccitazione mantenendo costante la corrente di indotto e la tensione di alimentazione si ha un aumento della velocità. Questo fenomeno è noto come deflussaggio. La variazione di corrente avviene agendo sui reostati in serie all’avvolgimento di eccitazione sia questo derivato o indipendente.

Nel caso di eccitazione seri comunque si potrà agire sul reostato in seri all’avvolgimento.

Essendo collegato al circuito di eccitazione la dissipazione è comunque piccola.

Eccitazione indipendente o in derivazione non saturo.

In questo grafico si tiene costante la corrente di indotto e si varia quella di eccitazione. La tensione viene tenuta costante e pari alla nominale. In caso di eccitazione serie la variazione della velocità ha la seguente curva caratteristica.

Riduzione della Ie  su un motore a eccitazione serie.

A sinistra la caratteristica meccanica giri-coppia   a destra invece la curva limite della potenza meccanica al variare della velocità. 

 Bene, direi che ora siamo davvero pronti per affrontare qualsiasi discussioen sul tema con qualsiasi persona a quelsiasi livello. Vi consiglio, tempo permettendo di leggervi anche l'appendice di fine pagina perche' potra' chiarire molti concetti esposti ed aprire nuove tematiche di discussione benche' correlate.

Non mi resta, come di consueto, di augurare a tutti una buona vita piena di serenita' e soddisfazioni personali.

Marco

·        P = numero dei poli statorici

Dalla forma dell’espressione della coppia sembrerebbe aumentando il flusso, proporzionale alla corrente di eccitazione, si ottenga sempre un aumento della coppia..e anche di altri parametri come ad esempio la velocità. Questo non è vero dato che il flusso non ha un andamento lineare (una retta) rispetto al valore della corrente statorica di eccitazione. Da un certo valore in poi infatti interviene la saturazione del materiale magnetico di cui si compongono i poli di espansione e quindi ad un ulteriore aumento della corrente statorica (di induttore) non corrisponde un proporzionale aumento di flusso concatenato con  l’avvolgimento rotorico. Solo lo studio delle curve caratteristiche posso dare una stima dell’effettivo ed attuale funzionamento di ogni specifica macchina.

Queste grosse macchine in continua mantengono la loro grande versatile in fatto di controllo e regolazione, ma va tenuto ben presente che mai e poi mai vanno inseriti reostati di regolazione in serie agli avvolgimenti di potenza ma bensì solo ed esclusi mante su quelli a bassa energia, ovvero quelli di eccitazione. Trascurando questo basilare concetto ci accorgeremo che la potenza non viene trasformata in coppia ma principalmente in calore portando alla distruzione del reostato. Attenzione, a vuoto anche un errore cosi grossolano potrebbe sembrare funzionare dato che non c’è coppia resistente applicata all’albero e quindi la potenza trasformata in calore nel reostato di regolazione sarà solo quella necessari a compensare le perdite interne per effetto joule sui conduttori e per perdite di magnetizzazione nei materiali metallici al fine di creare i flussi che stanno alla base del funzionamento della macchina elettrica.

Se convenzionata da generatore il rendimento è: 

Se la macchina è convenzionata da motore allora è: 

Dove i simboli usati sono quelli di riferimento secondo le norme CEI, ovvero:

·        perdite costanti Po

·        perdite per eccitazione Pecc

·        perdite sotto carico Pep

Tipo LAKC 4355- 6560
- potenze :500-2000 KW 
- coppia:   1800-24500 Nm
- 4 e 6 poli
- completamente lamellari
- grandezze 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560
- norme : IEC, VDE, BS, CSA, NEMA 

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