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Come funziona la macchina sincrona.

Il rotore della macchina è un elettromagnete che produce un'induzione B con andamento sinusoidale lungo la circonferenza che racchiude completamente il rotore ( circonferenza di traferro). Ponendolo in rotazione con un motore primo (es: turbina a vapore o idraulica), gli avvolgimenti situati nelle cave della periferia interna di statore, sono sede, per la legge di Faraday-Lenz, di una fem indotta sinusoidale. La sua frequenza è proporzionale alla velocità di rotazione ed al numero di poli del campo induttore ( le semionde positive e negative di B); il suo valore efficace è proporzionale al flusso polare, alla frequenza, al numero di conduttori che compongono l'avvolgimento.

Quando si chiude l'avvolgimento su una impedenza di carico, circola in esso una corrente che produce un nuovo campo magnetico, detto reazione di indotto. Nelle macchine trifasi è rotante con la stessa velocità del rotore e lo stesso numero di poli. In definitiva si ha una nuova configurazione dell'induzione al traferro, una nuova onda sinusoidale che ruota alla stessa velocità del rotore e di ampiezza che può differire da quella a vuoto sia in diminuzione che in aumento. 

Generalmente si ha diminuzione dell'ampiezza dell'induzione e di conseguenza del flusso polare e della fem indotta con carichi ohmico induttivi, un aumento con impedenze ohmico capacitive. L'impedenza induttiva ha dunque un effetto smagnetizzante, magnetizzante quella capacitiva, effetti  maggiori quanto più elevata è la componente reattiva dell'impedenza.

La tensione effettiva sul carico differisce pertanto da quella a vuoto. Oltre alla variazione della fem dovuta alla reazione di indotto, c'è anche quella dovuta alle cadute di tensione ohmiche ed induttive, dovute alla resistenza ed alle reattanze di dispersione dell'avvolgimento stesso.

Il problema che si deve dunque risolvere nel funzionamento a carico della macchina sincrona è quello di mantenere costante la tensione sul carico. 

Ciò si può ottenere intervenendo sulla corrente di eccitazione, aumentandola adeguatamente in caso di carichi ohmico-induttivi e diminuendola in caso di carichi ohmico-capacitivi.

Quando è presente nel carico la componente resistiva, la macchina deve erogare potenza attiva. Il campo magnetico di reazione in tal caso ritarda e produce una coppia frenante sul rotore. Il motore primo deve allora equilibrare questa coppia resistente producendo una coppia motrice. Ciò avviene mediante trasformazione dell'energia primaria che alimenta il motore primo.

Un appropriato sistema di regolazione provvede a mantenere costante la velocità di rotazione del rotore, quindi la frequenza delle tensioni prodotte.  

Se il carico è puramente reattivo, la reazione di indotto è in opposizione di fase ( induttivo) o in fase (capacitivo) con il campo di induttore, determinando smagnetizzazione o magnetizzazione rispettivamente, senza dar luogo a coppie frenanti, quindi senza determinare una ulteriore richiesta di energia al motore primo.

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Commenti e note

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di ,

gentile professore vorrei sapere cosa centra lo sviluppo delle armoniche con lo studio della macchina sincrona??? grazie in anticipo. cordiali saluti.

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di ,

Aeneas io so che per eccitazione indipendente si intende un sistema di eccitazione che è alimentato da una sorgente indipendente dalla rete a cui si collega la macchina. Ad esempio se usi delle batterie, (un reostato di regolazione), e colleghi questo sistema ai morsetti d'eccitazione hai realizzato un'eccitazione indipendente. Per alimentare l'avvolgimento di eccitazione in rotazione questo è collegato a degli anelli posti sull'albero. Ovviamente gli anelli sono isolati rispetto all'albero. Su questi anelli poggiano delle spazzole conduttrici che strisciano su di essi, e nelle spazzole sono annegate delle trecce di rame alle quali si collega la sorgente d'eccitazione. Questo sistema è soggetto ad usura e richiede manutenzione.

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di ,

Grazie. Questo già risponde alla mia domanda.

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di ,

Aeneas,

Per gli azionamenti, motori sincroni ad eccitazione indipendente, ottenuta con magneti permanenti sul rotore, sono i brushless.

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di ,

Gentile admin, sono uno studente e ho una domanda: che lei sappia, esiste nel campo della movimentazione controllata un "motore sincrono ad eccitazione indipendente"? Se sì, si intende che il campo magnetico di rotore è ottenuto con una corrente che scorre su un avvolgimento sul rotore..? E se è così, come si può mai alimentare un circuito sul rotore, che ruota a migliaia di giri al minuto? Grazie il portale è bellissimo.

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di ,

Variando la corrente di eccitazione

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di domenico,

rettifico:ovviamente la potenza attiva è assorbita dalla rete nel caso di motore

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di domenico,

Professore, volevo chiederle come si fa a regolare il fattore di potenza nel caso di motore sincrono a rotore liscio,fissato un valore di potenza attiva da erogare?cordiali saluti

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di ,

Professore sono domenico e volevo ringraziarla. Spiegazione perfetta.

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di ,

domenico,
per erogare potenza attiva si deve agire sul motore primo aumentando la coppia. Questa provoca un'accelerazione della ruota polare che aumenta l'angolo di sfasamento tra l'asse magnetico del campo eccitatore e quello del campo di reazione. Quest'ultimo quindi ritarda rispetto al primo. L'aumento dell'angolo fa aumentare la coppia elettromagnetica resistente e la velocità di rotazione torna costante, dopo qualche pendolazione, attorno al valore finale di equilibrio che corrisponde all'uguaglianza tra la coppia elettromagnetica resistente e la coppia motrice.

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di domenico ,

professore volevo sapere,nel funzionamento del generatore sincrono,quando applico un carico( ad es R-L),è IL CAMPO ROTANTE di armatura che ritarda rispetto al campo di eccitazione o quest'ultimo accelera rispetto al suddettO?CORDIALI SALUTI

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di ,

Salve professore!Vorrei sapere cosa si intende per "perdita del passo" di un motore sincrono,e quali sono le cause che possono portare a tale situazione e se possibile come si può intervenire!la ringrazio anticipatamente!

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di ,

Egregio Professore! Vorrei, se è possibile,sapere il perchè le curve di Mordey a P diverso da zero non abbiano un andamento lineare. Cordiali saluti. drio83

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di ,

Egregio Professore! Vorrei, se è possibile,sapere il perchè le curve di Mordey a P diverso da zero non abbiano un andamento lineare. Cordiali saluti. drio83

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di Miki,

Questa descrizione è molto esauriente, anche se aggiungendo qualche formula in più sarebbe stato perfetto. Cmq ottima descrizione.. Ciao W l'elettrotecnica

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di Fabio,

Salve, le volevo chiedere una informazione. Cosa accade se con un generatore produco energia a frequenza superiore a 50 Hz? Disponendo a valle, un controllo per la regolazione della stessa frequenza, posso trarre dei vantaggi?

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di Sarah,

Buongiorno Professore! Consideriamo un motore sincrono a magneti permanenti. Affinché il motore possa funzionare è necessario che i poli di statore siano nello stesso numero dei poli di rotore? Cioè, se ho una macchina a 8 poli, per es., devo disporre i magneti permanenti in maniera tale che generino 8 poli anche loro? Grazie!

Risposta: Sì

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di ,

Per ottenere una tensione perfettamente sinusoidale non basta un alternatore da biciclette. La forma d'onda dipende dalla sagomatura dei magneti, quindi dal campo magnetico da essi prodotto al traferro. Per accendere le lampadine di una bici, non ha alcuna importanza che la sinusoide sia perfetta. Ad ogni modo a te la cosa interessare poco. Quel che conta è la frequenza e questa è legata alla velocità nello stesso modo, sia che la forma d'onda sia perfettamente sinusoidale sia che non lo sia.

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di Davide,

Ing. Martini, sto facendo degli esperimenti su un piccolo alternatore per le lampadine delle biciclette(http://www.nabendynamo.de/) e sto cercando di utilizzarlo per determinare la velocità della bicicletta stessa. La forma della fase (da oscilloscopio) non è perfettamente sinusoidale; è sempre un segnale simmetrico,simile ad una sinusoide un po' "sformata". Questo da cosa puo' dipendere? La ringrazio anticipatamente per l'attenzione.

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di ,

Vito,
continuo a non capire che vuoi fare, se non cose inutili od impossibili. Intanto precisiamo che un motore primo endotermico (diesel, scoppio)è un motore termico od una turbina, idraulica o a vapore, non un motore elettrico, come quello che può essere alimentato da un impianto fotovoltaico. Comunque nessuno ti vieta di far girare un sincrono con un motore elettrico, ma non puoi pretendere che dal sincrono esca più energia di quella che il motore elettrico preleva. Quindi cosa stai studiando? Un sistema per disperdere inutilmente energia?

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di vito,

Prof Martini , mi scusi forse non era chiara la domanda; la espongo diversamente: Se prelevo energia da un impianto fotovoltaico ,ad esempio, per far girare un motore primo che a sua volta mette in rotazione l'albero motore del sincrono,il sistema puo' funzionare?(trascurando l'effetto dell'inverter per trasformare la continua in alternata). In pratica se,il motore primo assorbisse una potenza inferiore ,a quella che sviluppa il sincrono,il sistema darebbe un rendimento maggiore di uno Il che impossibile giusto? Grazie

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di ,

Scusa, Vito
permettimi una domanda. Perché azionare un sincrono con un asincrono per mandare energia in rete? L'asincrono da chi è fatto funzionare? Se dalla rete non serve a nulla evidentemente, se non a dissipare energia nel ciclo chiuso: rete-asincrono-sincrono-rete. Se l'asincrono è azionato da un motore primo termico può immettere energia in rete da solo, come il sincrono del resto.

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di ,

Vito,
1)
Perché i campi magnetici di rotore e di statore devono mantenere una posizione fissa l'uno rispetto all'altro, altrimenti la forza di attrazione tra i due campi oscilla: per mezzo periodo l'attrazione è, poniamo, verso desta, per l'altro mezzo verso sinistra.
Puoi paragonare i due campi magnetici di statore e di rotore a due ruote dentate con lo stesso numero di denti. Per trasmettere il moto dall'una all'altra, le due ruote devono ingranare e quando lo fanno girano alla stessa velocità
2)
Perché il campo rotante di statore ruota troppo velocemente ed esercita sul rotore forze opposte che si susseguono in modo rapido. La coppia media è allora nulla ed il rotore sta fermo.
3)
Con un inverter si può iniziare con una frequenza molto bassa, per cui il rotore inizia il movimento. Quindi si aumenta la frequenza gradualmente in modo che il rotore possa seguire il campo rotante e mantenere una posizione fissa rispetto ad esso.
Immagina di voler far ruotare un magnete usando un altro magnete. Non puoi subito andare alla massima velocità ma devi cominciare lentamente ed accelerare non moderazione in modo che il magnete che vuoi far ruotare possa seguirti.

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di vito,

Egregio Ing. Zeno Martini,le vorrei chiedere cortesemente un chiarimento riguardante la macchina sincrona. Perche' ho bisogno di portare il rotore alla velocita' di sincronismo per far si che si abbia coppia? Inoltre perche' non riesce ad autoavviarsi? E se al posto della frequenza di rete,alimento la macchina tramite un inverter aumentanto gratatamente la frequenza di alimentazione potra' questa autoavviarsi? Per favore ingegnere mi tolga questa dubbi... La ringrazio sin da ora per la sua disponibilita'. Cordiali saluti

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di Barbara,

Le figure sono fondamentali..Per un maggior chiarimento ed anke per fissare meglio l'idea.

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di Tommaso,

Egr Ing. Io prego tutte le sere per questo motore ma neppure questo basta.... Lei vuole dire che neanche portandolo alla velocità di sincronismo il motore continuerà a girare? Mi potrebbe dare qualche informazione in più sul funzionamento di questi sensori di posizione? Grazie Mille Sinceri saluti

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di ,

Il campo rotante è così: assi distinti, correnti sfasate. Io non ci posso fare nulla,Tommaso. Un'eventuale deroga devi richiederla più in alto!
Ma c'è ancora qualcosa di più difficile nel tuo motore. Ha un rotore a magneti permanenti. Nello scrivere la nota precedente avevo dimenticato di questo "particolare". La spinta sarebbe sufficiente se il motore fosse ad induzione, cioè se il rotore fosse come quello degli asincroni.Usando magneti permanenti è si ha un motore sincrono, che non ha coppia di avviamento nemmeno con un campo magnetico effettivamente rotante e non solo alternativo, può girare solo alla velocità del campo rotante, e si aggancia ad esso dopo essere stato portato alla velocità di sincronismo a quella del campo con mezzi diversi. Motori di questo tipo sono i brushless ma sono molto più complicati perché richiedono un'alimentazione elettronica a frequenza variabile ed in generale dei sensori che controllano la posizione del rotore per fornire la corretta alimentazione capace di generare il campo che trascina in rotazione il rotore.

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di Tommaso Lazzari,

Egr Ing Martini, purtroppo nemmeno portando il motore alla velocità di sincronismo, il motore gira autonomamente...
E' proprio necessario che i campi magnetici abbiano assi spaziali differenti?
Non basta che siano sfasati?
Cordiali saluti

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di ,

No, non è possibile. Occorrono almeno due avvolgimenti con assi magnetici non paralleli e percorsi da correnti sfasate nel tempo. Con un avvolgimento solo si ottiene un campo oscillante, cioè di ampiezza variabile ma sempre con lo stesso asse magnetico: quello della bobina. Un campo oscillante lo si può immaginare composto di due campi rotanti identici in ampiezza ma in senso contrario. Se si dà una spinta al rotore questo potrà allora ruotare per effetto del campo rotante concorde con la spinta iniziale.

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di Tommaso Lazzari,

Egr Ing. Martini, è possibile creare un campo magnetico rotante da un avvolgimento statorico monofase? E se sì, utilizzando come rotore un magnete permanente a 16 poli, questo rotore verrà portato in rotazione? Ho condotto un esperimento di questo tipo ed il rotore rimane fermo oscillando ad una posizione angolare quasi fissa. Come mai? Cordiali saluti

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di ,

La risposta è nella rubrica D&R.

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di davide.b.,

BUONGIORNO E COMPLIMENTI PER IL VOSTRO SITO IO VOLEVO SAPERE COSA ACCADE AD ESEMPIO NEL GENERATORE DI UN TURBOGAS QUANDO AUMENTO LA POTENZA TERMICA DELLA MACCHINA AUMENTANDO LA PORTATA DEL GAS COMBUSTIBILE CONSIDERANDO IL TG GIA' IN PARALLELO CON LA RETE DI TRASMISSIONE.COME FA IL GENERATORE AD EROGARE PIU' POTENZA ELETTRICA?CHE COSA AVVIENE NEL GENERATORE AFFINCHE' TUTTO IL GRUPPO TG-ALTERNATORE RUOTI SEMPRE A 3000 GIRI. IN ATTESA I UNA RISPOSTA INVIO I PIU' CORDIALI SALUTI AUGURI DI BUONE FESTE

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di Matteo,

Un po' troppo veloce, forse bisognava già sapere parzialmente la cosa per capirla. Si sente la mancanza di qualche figura e di qualche formula. Nel complesso, comunque, estremamente efficace.

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