Macchine Elettriche: Principi, Costruzione e Funzionamento

Macchine Asincrone

Motore Asincrono Monofase

Principio di Funzionamento

In sostanza, un motore asincrono monofase dispone di un rotore a gabbia simile a quello dei motori trifase e di uno statore che ha un avvolgimento monofase alimentato in corrente alternata (AC). Sono costruiti con potenze tipicamente inferiori a 1 HP e sono anche chiamati motori frazionari.

Con l'introduzione di una corrente alternata negli avvolgimenti dello statore si produce una forza magnetomotrice nel traferro. Questo produce un campo magnetico proporzionale al traferro, che a sua volta induce correnti nel rotore, come se fosse il circuito secondario di un trasformatore, in modo che le coppie di rotazione causate dall'interazione delle intensità delle due metà del rotore rispetto al campo eccitatore dello statore si contrappongono e, di conseguenza, la coppia risultante che agisce sul rotore a riposo è nulla. L'assenza di coppia iniziale è la caratteristica del motore monofase e quindi questa macchina non può avviarsi da sola.

Se un motore trifase è scollegato (e alimentato in monofase), si avrebbe un'operazione simile a quella descritta, con il funzionamento della macchina come motore monofase.

Avviamento

Il motore monofase non ha coppia di avviamento e quindi non può avviarsi da solo.

Le procedure per l'avviamento dei motori asincroni monofase sono:

• Motore a fase ausiliaria (split-phase)
  Questo motore ha negli avvolgimenti dello statore due avvolgimenti sfasati di 90° elettrici nello spazio. Il primo avvolgimento, chiamato principale, copre due terzi degli slot e ha molte spire di filo di grosso diametro in modo da offrire elevata reattanza e bassa resistenza ed è collegato direttamente alla rete, mentre l'altro, chiamato ausiliario o di avviamento, copre il resto dello statore e ha poche spire di filo sottile e quindi offre elevata resistenza e bassa reattanza ed è collegato in serie a un interruttore centrifugo sull'albero del motore.

• Motore con condensatore
  Questo tipo di motore è costituito da un avvolgimento principale che copre due terzi degli slot e ha molte spire di filo di grosso diametro per offrire elevata reattanza e bassa resistenza, ed è collegato direttamente alla rete. L'avvolgimento ausiliario copre il resto dello statore e ha poche spire di filo sottile, offrendo quindi elevata resistenza e bassa reattanza, ed è collegato in serie a un condensatore di capacità sufficiente a far anticipare la fase della sua corrente di quasi 90 gradi rispetto a quella dell'avvolgimento principale. A volte, al fine di migliorare le caratteristiche di coppia e il fattore di potenza (f.d.p.) della macchina, si usano condensatori in carta impregnata d'olio per servizio continuo.

Macchine Sincrone

Introduzione

Le macchine sincrone sono macchine elettriche la cui velocità di rotazione n (giri/min) è strettamente legata alla frequenza f della rete a cui è collegata: n = 60f / p, dove p è il numero di coppie polari della macchina.

Le macchine sincrone possono funzionare sia come generatore che come motore. Tuttavia, nella pratica degli impianti elettrici è più frequente l'uso come generatori per la produzione di elettricità a corrente alternata (alternatori). D'altra parte, quando converte energia elettrica in energia meccanica, funziona come motore sincrono. Questi motori sono utilizzati negli azionamenti industriali che richiedono velocità costante, offrendo anche il vantaggio, rispetto ai motori asincroni, di poter regolare simultaneamente il fattore di potenza (f.d.p.) con cui lavorano. Quando la macchina sincrona lavora con f.d.p. capacitivo, si dice che lavora come compensatore sincrono o condensatore sincrono.

Aspetti Costruttivi

Le macchine sincrone, come altri tipi di macchine elettriche, sono costituite da due avvolgimenti distinti:

• Un avvolgimento di campo, realizzato in forma concentrata o distribuita negli slot, alimentato in corrente continua, che crea i poli della macchina.

• Un avvolgimento di armatura, distribuito negli slot, percorso da corrente alternata trifase.

Nelle macchine più piccole, per potenze che non superino i 10 kVA, l'avvolgimento di campo è di solito posto nello statore, in forma concentrata, mentre l'indotto, solitamente trifase, è situato nel rotore.

Nelle grandi macchine sincrone, che nel caso degli alternatori possono raggiungere 1000-1500 MVA, il posizionamento degli avvolgimenti è invertito rispetto a quanto sopra, in modo che i poli si trovino sul rotore e l'avvolgimento di armatura sullo statore. In questa situazione la struttura del rotore è realizzata in due versioni differenti: a poli salienti o a rotore cilindrico (poli lisci). Nel primo caso gli avvolgimenti dei poli sono concentrati, mentre per il rotore cilindrico l'avvolgimento di campo è distribuito negli slot. L'alimentazione dell'avvolgimento di campo è effettuata tramite due anelli collettori posti sull'albero rotante, introducendo una corrente continua dall'esterno. Ci sono due tipi di indotto: se l'armatura è rotante richiede tre anelli collettori (per la trifase), mentre se è fissa (sullo statore) non necessita di anelli. Va notato anche che è più difficile isolare i conduttori in un'armatura rotante rispetto a una fissa sullo statore.

Sistemi di Eccitazione

Gli avvolgimenti che costituiscono i poli di una macchina sincrona sono alimentati in corrente continua. Nei sistemi tradizionali, una dinamo eccitatrice è montata sull'albero del gruppo e la cui uscita è applicata al rotore del generatore tramite anelli collettori e spazzole. L'eccitatore è un generatore convenzionale in corrente continua, che a volte sostituisce in tutto o in parte la sua eccitazione con quella di un eccitatore pilota al fine di migliorare la velocità di risposta. Le macchine sincrone più piccole di solito non hanno un eccitatore pilota e l'eccitatore principale funziona come un generatore in derivazione o alimenta direttamente il campo dell'alternatore.

I sistemi moderni utilizzano un sistema di eccitazione brushless (senza spazzole). In questo caso, l'eccitatore è una macchina sincrona ausiliaria il cui avvolgimento di armatura trifase è montato sul rotore e l'avvolgimento di campo sullo statore. L'uscita in corrente alternata (AC) dell'eccitatore viene raddrizzata in corrente continua (DC) tramite raddrizzatori montati sull'albero rotante, che alimentano direttamente il rotore del generatore senza necessità di anelli o spazzole (raddrizzatori rotanti).

Negli alternatori moderni utilizzati per fornire energia elettrica a impianti isolati si ricorre all'auto-eccitazione dell'alternatore, che consiste nell'ottenere la corrente continua necessaria per i poli dall'uscita stessa del generatore, che viene poi raddrizzata.

Principio di Funzionamento di un Alternatore

Funzionamento a Vuoto

Ruotando il rotore alla velocità n, vengono indotte forze elettromotrici (f.e.m.) negli avvolgimenti trifase dello statore, sfasate di 120° elettrici nel tempo. Se si considera che le N spire di ogni fase sono concentrate e che il flusso concatenato con esse varia tra i limiti +Φ_m e -Φ_m, il valore medio della f.e.m. indotta in ogni fase, durante la semionda positiva, è: E_medio = 4fNΦ_m

E la f.e.m. efficace avrà un valore: E_efficace = 4Kf Penh.

La curva a vuoto è una caratteristica importante del funzionamento a vuoto della macchina sincrona, poiché esprime la f.e.m. ai morsetti della macchina (a vuoto) in funzione della corrente di eccitazione.

Funzionamento a Carico: Reazione di Armatura

Se durante il funzionamento a vuoto di un generatore con una data corrente di eccitazione, si chiude il circuito di armatura collegando un'impedenza di carico ai terminali, si ottiene una tensione V ai morsetti della macchina inferiore al valore E₀ presente nel traferro a vuoto. La riduzione della tensione ai morsetti del generatore è dovuta alla comparsa di una corrente nell'armatura che causa una caduta di tensione su questo circuito (di armatura) e allo stesso tempo produce una f.m.m. che reagisce con quella dell'induttore (campo) modificando il flusso nel traferro della macchina. Si deve anche considerare la reattanza di dispersione dell'armatura, che è dovuta al flusso di dispersione dello statore, il quale non interagisce con il flusso principale del rotore. Questo flusso di dispersione definisce un'induttanza L_σ, che moltiplicata per la pulsazione ω (ω=2πf), provoca la reattanza di dispersione dello statore: X_σ = ωL_σ = 2πfL_σ. L'effetto della f.m.m. di reazione di armatura sulla f.m.m. dell'induttore (campo) regola il flusso nel traferro della macchina. Questo fenomeno è noto come reazione di armatura.

Composizione delle f.m.m. dell'induttore (campo) e dell'indotto (armatura) in base al tipo di carico: resistivo, induttivo o capacitivo:

• Carico resistivo
  Se il carico è puramente resistivo, il f.d.p. è unitario, e se consideriamo solo l'effetto della reazione di armatura, lo sfasamento tra la f.e.m. indotta e la corrente è φ = 0. Per calcolare la direzione e il verso delle f.e.m. indotte nei conduttori si deve applicare la legge di Faraday nella forma: E = L(v x B), dove v indica il vettore velocità dei conduttori dell'armatura rispetto al campo magnetico rotante, pari alla velocità periferica del rotore, considerando il moto relativo tra i due circuiti. Le f.e.m. sono massime quando i lati delle bobine si trovano direttamente di fronte al centro dei poli. Poiché lo sfasamento tra la f.e.m. e la corrente è zero, questo momento coincide con il massimo di intensità della corrente. Si osserva che per un carico resistivo, la reazione di armatura è trasversale, vale a dire è sfasata di 90° elettrici rispetto alla f.m.m. di campo.

• Carico induttivo
  Quando il carico è puramente induttivo, lo sfasamento tra la f.e.m. e la corrente è di 90°. In questo caso, le correnti massime nello spazio saranno sfasate di 90° rispetto al picco delle f.e.m. indotte. Dato che le f.e.m. sono massime quando i lati delle bobine si trovano al centro dei poli, la corrente sarà massima quando il polo nord del rotore è avanzato di 90° elettrici rispetto alla posizione di massima f.m.m. indotta. Si osserva che la f.m.m. di reazione di armatura si oppone alla f.m.m. dell'induttore (campo), il che significa che un carico puramente induttivo produce una reazione smagnetizzante, che tende a ridurre la f.m.m. risultante, riducendo il flusso nel traferro e causando così una riduzione della forza elettromotrice indotta.

• Carico capacitivo
  Quando il carico è puramente capacitivo, la corrente di picco nello statore anticipa di 90° elettrici la f.e.m. indotta nei conduttori dell'armatura, che è il momento in cui la f.e.m. è massima. In questo caso, la f.m.m. di reazione di armatura rafforza quella dell'induttore (campo), il che significa che i carichi capacitivi aiutano l'azione del campo ai poli causando un effetto magnetizzante su di essi.

Quando i carichi non sono puramente resistivi, induttivi o capacitivi, lo sfasamento è compreso tra -90° e +90°.

Così, nelle macchine sincrone, sia a poli salienti che a rotore cilindrico, la reazione di armatura provoca un cambiamento della f.m.m. risultante che agisce sul circuito magnetico, variando a sua volta l'entità del flusso nel traferro e pertanto il valore della f.e.m. indotta nell'armatura.

Diagramma Fasoriale di un Alternatore e Regolazione della Tensione

Il diagramma fasoriale di un generatore rappresenta graficamente la relazione tra f.e.m., tensioni e correnti nei differenti regimi di funzionamento della macchina.

In linea di principio, per analizzare il diagramma fasoriale è considerata una macchina sincrona con traferro uniforme (rotore cilindrico) e quindi la reazione di armatura non dipende dalla posizione del rotore, essendo la riluttanza identica in tutte le posizioni. Si presume che la reattanza di dispersione X_σ sia costante e si possono trascurare le perdite nel ferro (isteresi e correnti parassite). Questa ultima condizione equivale a dire che la f.m.m. risultante è in fase con il flusso che produce.

Si consideri una macchina sincrona che funziona come generatore con una tensione di fase V e una corrente di armatura induttiva con uno sfasamento φ in ritardo. Per determinare la f.e.m. interna E_r si aggiunge alla tensione ai morsetti V la caduta di tensione prodotta nella resistenza R e nella reattanza di dispersione X_σ dell'armatura, ottenendo: E_r = V + RI + jX_σI. Il flusso necessario a produrre la f.e.m. E_r è in anticipo di 90° rispetto a E_r e, trascurando l'isteresi, la direzione del flusso corrisponde a quella della f.m.m. risultante F_r.

F_r è la somma della f.m.m. di eccitazione F_e e della f.m.m. di reazione di armatura F_i, cioè: F_r = F_e + F_i. Se si considera solo la f.m.m. di eccitazione F_e, come se la macchina fosse a vuoto in assenza di reazione di armatura (F_i = 0), la f.m.m. risultante è F_r = F_e e il flusso nel traferro è in fase con F_e e determina la curva a vuoto della macchina sincrona. Il processo di cui sopra costituisce il metodo generale per calcolare la f.m.m. di eccitazione necessaria quando la macchina eroga una corrente I a una data tensione V.

La regolazione della tensione è definita in una macchina sincrona come il rapporto: ΔV = [(E₀ - V) / V] * 100%, che esprime la variazione percentuale della tensione ai morsetti del generatore passando dal funzionamento a vuoto (E₀) al funzionamento a pieno carico (V) per una data corrente di eccitazione.

Con carichi resistivi e induttivi, soprattutto per l'effetto smagnetizzante della f.m.m. di armatura, si ha una riduzione del flusso nel traferro all'aumentare del carico, portando a valori di regolazione positivi. Per i carichi capacitivi, la f.m.m. di armatura ha un effetto magnetizzante, la tensione a carico è superiore a quella a vuoto, il che porta a un valore di regolazione negativo.

Analisi Lineare della Macchina Sincrona: Circuito Equivalente

Generale

Per analizzare il comportamento della macchina sincrona è necessario tenere conto dell'effetto della reazione di armatura, il che richiede l'impiego simultaneo di grandezze elettriche (f.e.m., tensione e corrente) e grandezze magnetiche (f.m.m. e flusso). Questa procedura è chiamata metodo generale di analisi e riproduce fedelmente i fenomeni fisici coinvolti, ma ha lo svantaggio di dover gestire due tipi di grandezze diverse, il che richiede l'uso di diagrammi fasoriali.

Metodo di Behn-Eschenburg: Impedenza Sincrona

Questo metodo è adatto per macchine a rotore cilindrico che lavorano in regime lineare, il che significa che i flussi sono proporzionali alle f.m.m. e quindi si può usare il principio di sovrapposizione. Il vantaggio di questo metodo è che permette di definire un circuito elettrico equivalente della macchina sincrona, con i vantaggi di analisi che comporta. È noto che vi è in realtà un unico flusso nel traferro della macchina sincrona, prodotto dall'azione congiunta della f.m.m. di eccitazione F_e e della f.m.m. di reazione di armatura F_i. Tuttavia, è più conveniente ritenere che ciascuna f.m.m. produca un flusso indipendente, il quale a sua volta crea una forza elettromotrice indotta corrispondente. Questo permette di lavorare solo con f.e.m. e grandezze elettriche, astraendo dalle grandezze magnetiche. Questa idea si basa su tre componenti:

• Il flusso di dispersione Φ_σ, che si traduce in una caduta di tensione reattiva jX_σI, dove X_σ è la reattanza di dispersione. Questa caduta di tensione è sfasata di 90° in anticipo rispetto alla corrente di armatura I.

• Il flusso di eccitazione Φ_e, che è responsabile della f.e.m. E₀ prodotta a vuoto.

• Il flusso di reazione di armatura Φ_i, che produce una f.e.m. E_i in ritardo di 90° rispetto al flusso Φ_i.

Infine, il diagramma fasoriale porta all'espressione finale: E₀ = V + RI + jX_sI, dove X_s è la reattanza sincrona. Questo indica che la f.e.m. E₀ indotta nel traferro, dovuta alla f.m.m. di eccitazione F_e, può essere considerata come il risultato di sommare alla tensione ai morsetti V le cadute di tensione nella resistenza R (RI) e nella reattanza sincrona X_s (jX_sI).

Caratteristica a Vuoto e Determinazione dell'Impedenza Sincrona

Per studiare il comportamento di questa macchina è necessario determinare i parametri del circuito equivalente: E₀ e Z_s. Il valore di E₀ può essere determinato tramite una prova a vuoto:

A vuoto: I_a = 0 => E₀ = V_{a vuoto}

Cioè, la f.e.m. E₀ è la tensione ai morsetti della macchina quando la corrente di armatura è nulla. Si ottiene la caratteristica a vuoto: E₀ = f(I_e), che è una curva.

Il calcolo dell'impedenza sincrona Z_s richiede una prova di corto circuito:

In corto circuito: V_morsetti = 0 => E₀ = (R + jX_s) · I_cc = Z_s · I_cc

Da cui si ricava il valore del modulo dell'impedenza sincrona: Z_s = E₀ / I_cc, cioè l'impedenza sincrona è il rapporto tra la f.e.m. a vuoto e la corrente di corto circuito. Dopo aver effettuato le misure .... La curva che rappresenta I_cc = f(I_e) si chiama caratteristica di corto circuito ed è quasi una linea retta, perché in queste condizioni il circuito magnetico non è saturo, poiché sia la corrente di eccitazione che il flusso risultante hanno un valore basso.

Per basse correnti di eccitazione, l'impedenza sincrona Z_s è costante, poiché la caratteristica a vuoto coincide con la linea del traferro e si ottiene la cosiddetta impedenza sincrona insatura Z_s(insatura) = OD / OC.

Nelle diverse normative e raccomandazioni dei comitati elettrotecnici si è soliti considerare l'impedenza sincrona satura Z_s(satura) (o adeguata), che si ricava dalla tensione nominale V_n (corrispondente al punto D sulla caratteristica a vuoto) e dalla corrente di corto circuito I_cc (corrispondente al punto F sulla caratteristica di corto circuito) per la corrente di eccitazione I_e che produce la tensione nominale a vuoto (punto B). Z_s(satura) = V_n / I_cc = OD / O'F.

Infine, si può dimostrare che il rapporto di corto circuito (SCC) è l'inverso dell'impedenza sincrona satura espressa in per unità (p.u.): 1 / Z_s(p.u.) = I_cc(Ien) / I_en = O'F / O'G = OB / OC = SCC (Short Circuit Ratio).

Analisi Non Lineare: Metodo di Potier (o a f.d.p. nullo)

Il metodo di Potier viene applicato alle macchine sincrone a rotore cilindrico che operano nella zona di saturazione. In queste macchine l'applicazione del metodo di Behn-Eschenburg (lineare) porta a errori significativi, poiché le f.e.m. non sono più proporzionali alle f.m.m. a causa della non linearità del circuito magnetico nella zona di saturazione.

Il metodo di Potier permette di determinare la caduta di tensione sulla reattanza di dispersione X_σI e la f.m.m. prodotta dalla reazione di armatura, in modo che il calcolo della regolazione si basi sulla costruzione del diagramma fasoriale generale. Per calcolare la regolazione con il metodo di Potier è necessario conoscere la caratteristica a vuoto e la caratteristica a carico con f.d.p. nullo induttivo (prova a f.d.p. nullo), in un grafico che rappresenta la curva di tensione ai morsetti rispetto alla corrente di eccitazione, per corrente di armatura costante e pari alla corrente nominale. Con il triangolo di Potier si determinano i parametri necessari per la costruzione della caratteristica a f.d.p. nullo. La reattanza di Potier è leggermente maggiore della reattanza di dispersione X_σ.

Funzionamento di un Generatore in Rete Isolata

Il comportamento di un generatore sincrono in base al fattore di carico varia notevolmente a seconda della potenza del carico e se il generatore funziona da solo o in parallelo con altri generatori. Iniziamo analizzando il comportamento della macchina che funziona in isolamento. Ci sono due importanti sistemi di controllo: il primo è il regolatore di tensione, integrato nell'eccitatore, che variando la corrente di campo del generatore controlla la tensione ai morsetti; il secondo è il regolatore di velocità del motore primo che aziona l'alternatore, che agisce sull'afflusso di fluido (acqua, vapore, ecc.), permettendo così di controllare la velocità del gruppo e, di conseguenza, la frequenza.

Supponendo che la macchina funzioni a velocità costante, la frequenza è un parametro fisso. Con l'aumento del carico, aumenta la corrente di armatura e di conseguenza aumenta la f.m.m. di reazione di armatura F_i, portando a una f.m.m. risultante F_r inferiore, una f.e.m. interna E_r minore e una tensione ai morsetti V inferiore.

L'equazione che descrive il comportamento elettrico della macchina è: V = E₀ - jX_sI

In definitiva, in un alternatore che lavora in una rete isolata, si ha:

1. La frequenza dipende interamente dalla velocità del motore primo che aziona la macchina sincrona.
2. Il fattore di potenza (f.d.p.) del generatore è imposto dal f.d.p. del carico.
3. La tensione ai morsetti dipende da: a) la velocità, b) la corrente di eccitazione, c) la corrente di armatura, d) il f.d.p. del carico.

Accoppiamento di un Generatore alla Rete

Nel mondo di oggi è molto raro che un unico generatore alimenti un carico isolato; questa situazione si verifica solo in alcune applicazioni specifiche. La regola generale è che gli alternatori delle centrali elettriche sono situate vicino a dove le fonti di energia primaria.

Al fine di incrementare le prestazioni e l'affidabilità, le differenti centrali sono collegate insieme in parallelo, attraverso linee di trasmissione e distribuzione. La rete così formata è un enorme generatore, in cui praticamente la tensione e la frequenza rimangono costanti.

Per esempio, in Spagna la potenza elettrica installata a livello nazionale è di circa 65.000 MW, ma la capacità massima delle singole unità generatrici esistenti è inferiore a 1000 MW. Nella terminologia elettrica, si dice allora che si ha una rete a potenza infinita (tensione e frequenza costanti) a cui si connettono i diversi generatori del paese. Il collegamento in parallelo di un generatore alla rete comporta una complessa serie di operazioni, la cosiddetta sincronizzazione della macchina. Affinché la connessione avvenga senza disturbi, è necessario che il valore istantaneo della tensione del generatore sia uguale in ampiezza e fase al valore istantaneo della tensione di rete. Questo requisito porta alle seguenti condizioni, necessarie per collegare un generatore in parallelo alla rete:

1. La sequenza delle fasi dell'alternatore e della rete deve essere uguale.
2. La tensione efficace del generatore deve avere un valore uguale alla tensione di rete e le sue fasi devono corrispondere.
3. La frequenza delle due tensioni deve essere uguale.

Per verificare queste condizioni si utilizzano apparecchi chiamati sincronoscopi, che nel caso più semplice è composto da tre lampadine. L'operazione inizia con l'avviamento della macchina tramite il motore primo a una velocità vicina al sincronismo: n ≈ 60f / p. Viene poi introdotta l'eccitazione nell'induttore dell'alternatore e la si aumenta gradualmente fino a quando la tensione ai morsetti del generatore uguaglia la tensione di rete.

In pratica, negli alternatori di grandi dimensioni, il sistema a lampade è stato sostituito da un sincronoscopio ad ago. La posizione dell'ago indica lo sfasamento tra le tensioni del generatore e della rete. Quando le frequenze sono uguali, l'ago è fermo; per frequenze diverse, il puntatore oscilla in una direzione o nell'altra a seconda che il generatore vada più veloce o più lento rispetto alla rete.

Potenza Attiva e Reattiva Sviluppata da una Macchina Sincrona Accoppiata alla Rete a Potenza Infinita

Si consideri una macchina sincrona a rotore cilindrico non satura, in cui si può trascurare la resistenza di armatura rispetto alla reattanza sincrona la cui grandezza è assunta costante. La potenza attiva P e la potenza reattiva Q sviluppate dalla macchina sono:

P = (3 E₀ V senδ) / X_s = P_max senδ

Q = (3 / X_s) * (E₀V cosδ - V²)

L'angolo δ è chiamato angolo di potenza o angolo di carico. La potenza attiva massima è: P_max = 3 E₀ V / X_s

Se δ > 0, la potenza attiva sviluppata dalla macchina è positiva e corrisponde al funzionamento come generatore sincrono o alternatore. Se δ < 0, la potenza attiva è negativa, cioè la macchina riceve potenza attiva dalla rete e funziona come motore sincrono, fornendo energia meccanica all'albero.

Se E₀cosδ > V, la macchina sincrona eroga potenza reattiva induttiva alla rete, o, equivalentemente, riceve potenza reattiva capacitiva dalla rete. Si dice che la macchina è sovraeccitata.

Nel caso in cui E₀cosδ < V, la potenza reattiva erogata dal generatore è negativa, vale a dire capacitiva, o, in modo equivalente, la macchina riceve potenza reattiva induttiva dalla rete. Si dice che il generatore è sottoeccitato.

Funzionamento in Rete a Potenza Infinita

Quando l'alternatore è collegato a una rete a potenza infinita, diventa parte di un sistema che include centinaia di altri generatori che alimentano milioni di carichi. A differenza di un generatore che lavora su una rete isolata, in cui il carico è ben specificato, ora è impossibile conoscere la natura del carico (grande o piccolo, resistivo o induttivo) collegato ai terminali di un singolo alternatore. È noto che il gruppo ha due sistemi di controllo: a) il sistema di regolazione della tensione, che controlla la corrente di campo dell'alternatore e nel caso di generatore isolato è stato utilizzato per regolare la tensione ai morsetti, e b) il sistema di regolazione della velocità del motore primo, che nel caso di funzionamento isolato è stato usato per controllare la frequenza.

Tuttavia, la rete a cui è collegato l'alternatore è a potenza infinita, il che indica che la frequenza e la tensione sono costanti e sono imposti dalla rete.

Effetto della Variazione dell'Eccitazione

Per collegare la macchina alla rete si deve produrre una f.e.m. E₀ della stessa ampiezza e fase della tensione di rete V. Inizialmente, E₀ e V sono identiche e, pertanto, nessuna corrente fluisce nell'armatura della macchina. Anche se il generatore è stato collegato alla rete, non fornisce (o riceve) alcuna potenza; si dice allora che funziona in regime di "a vuoto elettrico". Se ora la corrente di eccitazione aumenta, aumenta la f.e.m. indotta E₀, che superando la tensione di rete V provoca la circolazione di una corrente I = (E₀ - V) / jX_s. Questa corrente è sfasata di 90° in ritardo rispetto alla differenza di tensione (E₀ - V).

Effetti dei Cambiamenti nella Coppia Meccanica (Regolatore di Velocità)

La potenza attiva fornita da una macchina sincrona collegata a una rete a potenza infinita proviene dalla potenza meccanica fornita dalla turbina, che a sua volta dipende dall'afflusso di fluido (acqua o vapore) ad essa, regolato dalla posizione dell'organo di ammissione (es. valvola). Se si considera come base di riferimento il regime a vuoto elettrico e si aumenta l'afflusso di fluido alla turbina, la velocità del rotore aumenta leggermente, causando uno sfasamento angolare δ tra la f.e.m. E₀ generata e la tensione di rete V. La potenza elettrica trasferita dal generatore alla rete sarà: P = (3 E₀ V senδ) / X_s, che è una funzione dell'angolo di potenza δ. Questo indica che se l'eccitazione è costante (cioè la f.e.m. E₀ rimane fissa), all'aumentare della potenza attiva, l'angolo δ tra V ed E₀ cresce. In breve, la variazione della potenza meccanica fornita dalla turbina provoca una variazione della potenza attiva erogata dalla macchina, che fisicamente si riflette come un cambiamento dell'angolo δ tra la f.e.m. E₀ e la tensione V.

Per una data eccitazione, la potenza attiva è massimizzata per δ = π/2 (90°), che corrisponde al limite di stabilità statica della macchina. Un ulteriore aumento dell'afflusso di fluido al motore primo (turbina) fa sì che la potenza attiva richiesta superi il limite di stabilità; la potenza in eccesso viene convertita in coppia accelerante che provoca un aumento della velocità del rotore, portando la macchina fuori sincronismo.

Se la macchina eroga potenza attiva alla rete e potenza reattiva induttiva (cioè riceve potenza reattiva capacitiva dalla rete), si dice che la macchina è sovraeccitata.

Motore Sincrono: Caratteristiche e Applicazioni

La macchina sincrona può passare dal funzionamento come generatore al funzionamento come motore scollegando il motore primo. In tal caso, la macchina assorbe potenza elettrica dalla rete e la trasforma in energia meccanica di rotazione all'albero, esercitando una coppia utile. La velocità del motore è espressa dalla relazione: n = 60f / p, che è la velocità di sincronismo della rete.

Il motore sincrono ha il grave svantaggio che la coppia media è diversa da zero solo quando la macchina è già sincronizzata, cioè quando il rotore ruota alla stessa velocità del campo indotto. Se il rotore è fermo o gira a una velocità diversa da quella di sincronismo, la coppia media che si sviluppa quando connesso alla rete è nulla.

Nei motori sincroni che si avviano a vuoto, l'avviamento è effettuato per mezzo di un motore ausiliario, di solito asincrono con lo stesso numero di coppie polari del motore principale, in modo da fornire una velocità di rotazione quasi sincrona. La connessione alla rete è realizzata con apparecchiature di sincronizzazione, analogamente a quanto fatto per l'accoppiamento di un generatore alla rete. Per questo scopo possono anche essere utilizzati motori in corrente continua (DC) grazie al loro vantaggio nel controllo della velocità, o motori a induzione con un numero di coppie polari inferiore rispetto al motore sincrono.

Un altro metodo più pratico per l'avviamento di questi motori è l'avviamento asincrono. A questo scopo è necessario prevedere un avvolgimento a gabbia di scoiattolo sui poli della macchina. Per effettuare l'avviamento asincrono, l'avvolgimento di eccitazione deve essere chiuso su una resistenza ohmica il cui valore è 10-15 volte superiore alla sua resistenza interna. Questo processo è chiamato auto-sincronizzazione del motore. Al termine dell'avviamento, si può regolare la corrente di eccitazione per far lavorare la macchina in regime di sottoeccitazione o sovraeccitazione, regolando così il suo f.d.p. In questo modo, questa macchina è in grado di svolgere la duplice funzione di azionare carichi meccanici e di compensare la potenza reattiva della rete.

In generale, l'avvolgimento a gabbia posto su questi motori per l'avviamento asincrono è presente anche sui generatori ed è chiamato avvolgimento smorzatore (o di smorzamento), riducendo le oscillazioni che si verificano nei processi transitori delle macchine sincrone: collegamento alla rete, bruschi cambiamenti di carico elettrico o meccanico. L'effetto di questi avvolgimenti smorzatori in regime stazionario è nullo, poiché alla velocità di sincronismo non inducono correnti in essi.

Il motore sincrono può essere utilizzato per azionare carichi meccanici. Nella sua versione per potenze inferiori a 1 HP non è utilizzata l'eccitazione in corrente continua (DC) e il suo funzionamento si basa sulla variazione della riluttanza del rotore (motori a riluttanza). Sono utilizzati anche i motori sincroni a isteresi, impiegati per azionare orologi elettrici e altre apparecchiature di misura del tempo.

Per le grandi potenze, uno dei principali vantaggi del motore sincrono rispetto al motore asincrono è la possibilità di regolare il f.d.p.