Macchine elettriche a corrente alternata

Le macchine elettriche sono utilizzate per convertire l'energia meccanica in energia elettrica (generatori AC e DC) e viceversa (motori elettrici).

In tutti questi casi si utilizzano essenzialmente tre principali scoperte nel campo dell'elettromagnetismo: il fenomeno dell'interazione meccanica delle correnti scoperto da Ampere nel 1821, il fenomeno dell'induzione elettromagnetica scoperto da Faraday nel 1831, e la sintesi teorica di questi fenomeni fatta da Lenz (1834) nella sua nota legge della direzione della corrente indotta (infatti la legge di Lenz prevedeva la legge di conservazione dell'energia per i processi elettromagnetici).

Per convertire l'energia meccanica in energia elettrica o viceversa, è necessario creare un movimento relativo di un circuito conduttivo con una corrente e un campo magnetico (magnete o corrente).

Nelle macchine elettriche progettate per il funzionamento continuo, viene utilizzato il moto rotatorio della parte mobile della macchina (il rotore della macchina a corrente alternata) situata all'interno della parte fissa (lo statore).La bobina della macchina che serve a creare il campo magnetico è chiamata induttore e la bobina che scorre con corrente operativa è chiamata armatura. Entrambi questi ultimi termini sono usati anche per le macchine DC.

Per aumentare l'induzione magnetica, gli avvolgimenti della macchina sono posizionati su corpi ferromagnetici (acciaio, ghisa).

Tutte le macchine elettriche hanno la proprietà della reversibilità, cioè possono essere utilizzate sia come generatori di energia elettrica che come motori elettrici.

Motori asincroni

Vengono utilizzati motori asincroni una delle manifestazioni dell'induzione elettromagnetica… Nei corsi di fisica si dimostra come segue:

Sotto un disco di rame, che può ruotare attorno ad un asse verticale passante per il suo centro, è posto un magnete a ferro di cavallo verticale spinto a ruotare attorno allo stesso asse (è esclusa l'interazione meccanica tra il disco ed il magnete). In questo caso, il disco inizia a ruotare nella stessa direzione del magnete, ma a una velocità inferiore. Se si aumenta il carico meccanico sul disco (ad esempio, aumentando l'attrito dell'asse contro il cuscinetto reggispinta), la sua velocità di rotazione diminuisce.

Il significato fisico di questo fenomeno è facilmente spiegato dalla teoria dell'induzione elettromagnetica: quando il magnete ruota, si crea un campo magnetico rotante, che induce correnti parassite nel disco, la grandezza di quest'ultimo dipende, a parità di altre condizioni, dal velocità relativa del campo e del disco .

Secondo la legge di Lenz, il disco deve ruotare in direzione del campo. In assenza di attrito, il disco deve acquisire una velocità angolare pari alla velocità del magnete, dopodiché la fem indotta scomparirà. Nella vita reale, l'attrito è inevitabilmente presente e il disco diventa più lento.La sua grandezza dipende dal momento frenante meccanico sperimentato dal disco.

La discrepanza tra la velocità di rotazione del disco (rotore) e la velocità di rotazione del campo magnetico si riflette nel nome dei motori.

Il principio di funzionamento dei motori asincroni:

Nei motori asincroni tecnici (il più delle volte trifase) viene creato un campo magnetico rotante corrente polifaseche scorre attorno all'avvolgimento dello statore stazionario. Alla frequenza della corrente trifase è e il numero di bobine dello statore 3p campo rotante fa n = f / p giri / sec.

Un rotore girevole si trova nella cavità dello statore. Al suo albero può essere collegato un meccanismo rotante.Nei più semplici motori a "cella di scoiattolo", il rotore è costituito da un sistema di aste metalliche longitudinali poste nelle scanalature di un corpo cilindrico in acciaio. I fili sono cortocircuitati da due anelli. Per aumentare la coppia, il raggio del rotore è sufficientemente grande.

In altri modelli di motore (tipicamente motori ad alta potenza), i fili del rotore formano un avvolgimento trifase aperto. Le estremità delle bobine vengono cortocircuitate nel rotore stesso e i conduttori vengono portati a tre anelli collettori montati sull'albero del rotore e isolati da esso.

A questi anelli è collegato un reostato trifase tramite contatti striscianti (spazzole), che serve per mettere in moto il motore. Dopo che il motore è stato acceso, il reostato viene completamente rimosso e il rotore diventa una gabbia di scoiattolo (vedi — Motori asincroni a rotore avvolto).

C'è una morsettiera sull'alloggiamento dello statore. Gli avvolgimenti dello statore vengono portati fuori da loro. Possono essere inclusi stella o triangolo, a seconda della tensione di rete: nel primo caso la tensione di rete può essere 1,73 volte superiore rispetto al secondo.

Viene chiamato il valore che caratterizza la decelerazione relativa del rotore rispetto al campo statorico del motore asincrono scivolare… Passa dal 100% (al momento dell'avviamento del motore) a zero (caso ideale di movimento del rotore senza perdite).

L'inversione del senso di rotazione del motore asincrono è ottenuta mediante commutazione reciproca ogni due conduttori lineari della rete elettrica che alimenta il motore.

I motori a gabbia di scoiattolo sono ampiamente utilizzati nell'industria. I vantaggi dei motori asincroni sono la semplicità del design e l'assenza di contatti striscianti.

Fino a poco tempo fa, il principale svantaggio di tali motori era la difficoltà nella regolazione della velocità, perché se la tensione del circuito dello statore viene modificata per questo, la coppia cambia bruscamente, ma era tecnicamente difficile modificare la frequenza della corrente di alimentazione. I moderni dispositivi a microprocessore sono ora ampiamente utilizzati per controllare la frequenza della corrente di alimentazione per variare la velocità dei motori - convertitori di frequenza.

Alternatori

Gli alternatori sono costruiti per potenza significativa e alta tensione. Come le macchine asincrone, hanno due avvolgimenti. Normalmente, l'avvolgimento dell'indotto si trova nell'alloggiamento dello statore. Gli induttori che creano il flusso magnetico primario sono montati sul rotore e sono alimentati da un eccitatore, un piccolo generatore CC montato sull'albero del rotore. Nelle macchine ad alta potenza, l'eccitazione è talvolta creata da una tensione alternata raddrizzata.

A causa dell'immobilità dell'avvolgimento dell'indotto, scompaiono le difficoltà tecniche legate all'utilizzo di contatti striscianti ad alte potenze.

La figura seguente mostra uno schema di un generatore monofase. Il suo rotore ha otto poli. Su questi sono avvolte bobine (non mostrate in figura) alimentate da una sorgente esterna mediante corrente continua applicata ad anelli di contatto montati sull'albero del rotore. Le bobine polari sono avvolte in modo tale che i segni dei poli rivolti verso lo statore si alternino. Il numero di poli deve essere pari.

L'avvolgimento dell'indotto si trova nell'alloggiamento dello statore. I suoi lunghi fili «attivi» funzionanti, perpendicolari al piano del disegno, sono mostrati nella figura con cerchi, sono attraversati dalle linee di induzione magnetica quando il rotore ruota.

I cerchi mostrano la distribuzione istantanea delle direzioni dei campi elettrici indotti. I fili di collegamento che corrono lungo il lato anteriore dello statore sono indicati con linee continue e sul lato posteriore con linee tratteggiate. I morsetti K vengono utilizzati per collegare un circuito esterno all'avvolgimento dello statore. Il senso di rotazione del rotore è indicato da una freccia.

Se tagli mentalmente la macchina lungo un raggio che passa tra i morsetti K e la trasformi in un piano, la posizione relativa dell'avvolgimento dello statore e dei poli del rotore (lato e piano) verrà rappresentata con un disegno schematico:

Considerando la figura, ci assicuriamo che tutti i fili attivi (passanti per i poli dell'induttore) siano collegati tra loro in serie e la FEM indotta in essi venga sommata. Le fasi di tutti i campi elettromagnetici sono ovviamente le stesse.Durante una rotazione completa del rotore, si otterranno quattro periodi completi di variazione di corrente in ciascuno dei fili (e quindi nel circuito esterno).

Se una macchina elettrica ha p coppie di poli e il rotore compie n giri al secondo, allora la frequenza della corrente alternata ricevuta dalla macchina è f = pn hz.

Poiché la frequenza dell'EMF nella rete deve essere costante, la velocità di rotazione dei rotori deve essere costante. Per ottenere un EMF di frequenza tecnica (50 Hz), è possibile utilizzare una rotazione relativamente lenta se il numero di poli del rotore è sufficientemente grande.

Per ottenere corrente trifase, tre avvolgimenti separati sono posti nel corpo dello statore. Ciascuno di essi è sfalsato rispetto agli altri due di un terzo della distanza dell'arco tra i poli adiacenti (opposti) degli induttori.

È facile verificare che quando gli induttori ruotano, gli EMF vengono indotti nelle bobine sfasate (nel tempo) di 120 °. Le estremità delle bobine sono rimosse dalla macchina e possono essere collegate a stella oa triangolo.

In un generatore, la velocità relativa del campo e del conduttore è determinata dal diametro del rotore, dal numero di giri del rotore al secondo e dal numero di coppie di poli.

Se il generatore è azionato da una corrente d'acqua (idrogeneratore), di solito è fatto con giri lenti. Per ottenere la frequenza di corrente desiderata, è necessario aumentare il numero di poli, che a sua volta richiede un aumento del diametro del rotore.

Per una serie di motivi tecnici potenti generatori di idrogeno di solito hanno un albero verticale e si trovano sopra la turbina idraulica, che li fa ruotare.

Generatori a turbina a vapore — I generatori a turbina sono generalmente ad alta velocità. Al fine di ridurre le forze meccaniche, hanno diametri ridotti e un numero di poli corrispondentemente ridotto.Alcune considerazioni tecniche richiedono la produzione di generatori a turbina con albero orizzontale.

Se il generatore è azionato da un motore a combustione interna, viene chiamato generatore diesel, poiché i motori diesel sono generalmente utilizzati come motori che consumano carburante più economico.

Reversibilità del generatore, motori sincroni

Se una tensione alternata viene applicata all'avvolgimento dello statore del generatore da una sorgente esterna, allora ci sarà un'interazione dei poli dell'induttore con il campo magnetico della corrente generata nello statore e agiranno coppie dalla stessa direzione su tutti i poli.

Se il rotore ruota a una velocità tale che poco dopo la metà del periodo della corrente alternata, il polo successivo dell'induttore (di segno opposto al primo polo) si adatterà sotto il filo considerato dell'avvolgimento dello statore, quindi il segno del la forza di interazione tra esso e la corrente, che ha cambiato direzione, rimarrà la stessa.

In queste condizioni il rotore, essendo sotto l'influenza continua della coppia, continuerà a muoversi e sarà in grado di azionare qualsiasi meccanismo. Il superamento della resistenza al movimento del rotore avverrà a causa dell'energia consumata dalla rete e il generatore diventerà un motore elettrico.

Va notato, tuttavia, che il movimento continuo è possibile solo a una velocità di rotazione strettamente definita, poiché in caso di deviazione da essa un momento di accelerazione agirà parzialmente su ciascuno dei poli del rotore, spostandosi tra i due conduttori del statore, parte del tempo - arresto.

Pertanto, la velocità di rotazione del motore deve essere rigorosamente determinata, - il tempo durante il quale il polo viene sostituito dal successivo deve coincidere con il semiperiodo della corrente, motivo per cui tali motori sono chiamati in modo sincrono.

Se viene applicata una tensione alternata all'avvolgimento dello statore con un rotore fermo, allora, sebbene tutti i poli del rotore durante il primo semiperiodo della corrente subiscano l'azione di coppie dello stesso segno, tuttavia, a causa dell'inerzia, il il rotore non avrà il tempo di muoversi. Nel mezzo ciclo successivo, il segno delle coppie per tutti i poli del rotore cambierà in senso opposto.

Di conseguenza, il rotore vibrerà ma non sarà in grado di ruotare. Pertanto, il motore sincrono deve prima essere avvolto, cioè portato al normale numero di giri, e solo allora deve essere attivata la corrente nell'avvolgimento dello statore.

Lo sviluppo di motori sincroni viene effettuato con metodi meccanici (a basse potenze) e dispositivi elettrici speciali (a potenze elevate).

Per piccole variazioni di carico, la velocità del motore cambierà automaticamente per adattarsi al nuovo carico. Quindi, all'aumentare del carico sull'albero motore, il rotore rallenta immediatamente. Pertanto, lo sfasamento tra la tensione di linea e l'EMF indotto opposto indotto dall'induttore nell'avvolgimento dello statore cambia.

Inoltre, la reazione dell'armatura crea una smagnetizzazione degli induttori, quindi la corrente dello statore aumenta, gli induttori subiscono un aumento della coppia e il motore ricomincia a ruotare in modo sincrono, superando l'aumento del carico. Un processo simile si verifica con la riduzione del carico.

Con forti fluttuazioni del carico, questa adattabilità del motore potrebbe essere insufficiente, la sua velocità cambierà in modo significativo, "cadrà fuori dal sincronismo" e alla fine si fermerà, mentre l'EMF di induzione indotto nello statore scompare e la corrente in esso aumenta nettamente. Pertanto, è necessario evitare brusche fluttuazioni del carico. Per fermare il motore, ovviamente, bisogna prima disconnettere il circuito dello statore e poi disconnettere le bobine d'arresto; quando si avvia il motore, è necessario attenersi all'ordine inverso delle operazioni.

I motori sincroni sono spesso utilizzati per azionare meccanismi che funzionano a velocità costante. Ecco i vantaggi e gli svantaggi dei motori sincroni e le modalità di avviamento: Motori sincroni e loro applicazioni

Filmato educativo - "Motori sincroni", creato dalla fabbrica di ausili visivi educativi nel 1966. Puoi guardarlo qui: Filmina «Motore sincrono»