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 M o d u l o  7

La macchina sincrona

Motore

U n i t à   1        =>

Il motore, per poter acquistare la piena autonomia, deve essere aiutato nella fase cosiddetta di avviamento.

Ma andiamo per gradi. Inizialmente supponiamo di rovesciare il funzionamento dell’alternatore, alimentando con un sistema trifase simmetrico i tre avvolgimenti di statore della macchina sincrona.

Cosa succede di diverso rispetto al motore asincrono? (Modulo Motore asincrono, §2).

Nulla, poiché si genera anche qui un campo magnetico rotante alla velocità di sincronismo, ad esempio con una sola coppia di poli.

Ma questo campo gira troppo veloce per la ruota polare, inizialmente ferma. Anche se ha i poli attivi, perché circola la corrente di eccitazione, tuttavia la ruota polare si vede passare il campo rotante ad una velocità eccessiva e la sua inerzia le impedisce di seguire la coppia dei poli induttori.

Perché accada qualcosa, le strade da seguire sono diverse, dipende dalle scelte e dalle possibilità:

· si può costruire una gabbia di scoiattolo sulle espansioni polari della ruota (la qual cosa già era prevista in alcuni generatori con carico squilibrato, per poter ridurre le deformazioni introdotte dalle armoniche (§7 Alternatore). Avviatosi come asincrono, in prossimità della velocità di sincronismo il campo rotante può farcela ad agganciare saldamente la ruota polare e mantenersela avvinghiata. Non è il massimo dell’eleganza, ma il metodo può servire allo scopo, anche se le coppie d’avviamento sono modeste.

· Si può alimentare lo statore con tensione a frequenza ridotta e, coi potenti mezzi offerti dagli interruttori elettronici molto veloci, un convertitore può far crescere la frequenza del campo rotante di statore da pochi hertz fino alla frequenza desiderata: la ruota polare viene così accompagnata dolcemente a raggiungere qualsiasi velocità di sincronismo che poi manterrà costante. Questo è però un metodo da ricchi, ma è percorribile, ogni giorno di più.

 

· Un tempo invece, si sceglieva la seguente strada, per superare il non facile problema. Nessuno proibisce di seguirla ancora oggi. Occorre trascinare in rotazione la ruota polare mediante un motore ausiliario di lancio, anche di piccola potenza, ed effettuare il parallelo sulla rete, come se si trattasse di un alternatore a vuoto.

Effettuato il parallelo con le modalità discusse in precedenza, e quindi con ruota polare ormai congiunta e attirata dai poli del campo rotante, si può sganciare il motore ausiliario mediante un apposito giunto e la ruota polare seguirà fedelmente i poli del campo rotante, permanentemente agganciata ad essi. Infatti le correnti assorbite dallo statore creano un campo magnetico rotante e il carico meccanico applicato all’albero fa rallentare temporaneamente la ruota polare. La tensione di linea deve quindi controbilanciare la f.c.e.m. e le c.d.t. interne, soprattutto quella dovuta alla reattanza sincrona X_s, come si vede dalle relazioni che si esamineranno tra breve.

Queste complicazioni, soprattutto la fase preliminare del parallelo, fecero passare un po’ la voglia di usare il sincrono, anche se è l’unico motore in grado di mantenere immutata la velocità in ogni condizione di carico richiesto … a meno che si esageri nel richiedere una coppia eccessiva, tale da far perdere il passo alla ruota polare. E sarebbero guai per via delle elevate correnti in gioco.

Applicando un carico all’albero del sincrono, la ruota polare assume un ritardo rispetto alla posizione a vuoto (U=E_o) e lo statore assorbe ora una corrente dalla rete (mentre prima come alternatore la erogava). Si potrebbe anche dire che la macchina eroga potenza negativa, ma si fa prima a parlare di potenza assorbita positiva. La potenza, erogata dalla rete trifase, viene assorbita dalla macchina, che la converte in meccanica trascinando la ruota polare e il carico in sincronismo col campo rotante. Il ritardo di posizione assunto dalla ruota non deve avvicinarsi troppo al valore limite (δ=90°), per non correre il rischio di perdere il passo. Ciò comporterebbe elevatissima corrente assorbita.

Il diagramma vettoriale di riferimento diventa quello di fig.1, dove la E assume il significato di f.c.e.m., secondo la relazione seguente, in cui si trascura la c.d.t. R_oI :

La corrente assorbita e la coppia motrice prodotta sono le seguenti (v. rel.4 del §9 Alternatore):

Figura 1) La potenza costante del carico, nelle condizioni di eccitazione giusta a), sottoeccitazione b) e sovreccitazione c). Le correnti assorbite sono: minima e in fase con la tensione (I), in ritardo (I₁) e in anticipo (I₂). La potenza attiva è legata alla distanza fra le rette a ed e.

 

Si esamini il caso di un carico costante applicato all’albero del motore, ma con diverse correnti di eccitazione della ruota polare. Dai diagrammi di fig.1 ciò comporta una distanza tra le rette a ed e costante (come si è discusso al §9-Alternatore).

Si modifichi la corrente di eccitazione: ciò comporta uno spostamento del vettore E_o con l’estremità che scorre sulla retta e .

Poiché vale la relazione sopra scritta per il motore

la corrente assorbita va a collocarsi a 90° in ritardo rispetto alla c.d.t. jX_sI.

Come si è detto, il carico all’albero è costante, e tale sarà la potenza attiva assorbita: di conseguenza anche la componente attiva della corrente in fase con la tensione sarà costante, cioè Icosφ=cost.

Modificando invece la corrente di eccitazione e quindi la E_o, si modifica la potenza reattiva.

· Nella fig.1a) l’eccitazione è particolare: la corrente assorbita è minima e in fase con la tensione di alimentazione del motore. E’ l’eccitazione giusta.

· Nella fig.1b) si ha sottoeccitazione e la corrente assorbita è in ritardo sulla tensione.

· In fig.1c) la sovreccitazione comporta, come conseguenza vettoriale obbligata, un assorbimento della corrente in anticipo sulla tensione.

Pertanto un motore assorbe, a parità di carico meccanico all’albero, una corrente in fase, cioè il valore minimo, quando si è raggiunta l’eccitazione giusta.

In queste condizioni sono minime le perdite joule interne.

Diminuendo l’eccitazione il motore si comporta come un carico sempre più induttivo quanto più si riduce la corrente di eccitazione.

Se la corrente d’eccitazione supera il valore cui corrisponde la E_o della fig.1a), il motore si comporta invece come un carico sempre più capacitivo.

Fra le applicazioni tipiche del motore sovraeccitato, anche nel funzionamento a vuoto, si ricorda il rifasamento che la macchina opera sulla rete. È il funzionamento come condensatore rotante o compensatore sincrono, in grado di effettuare regolazioni di tensione, ad esempio, nelle sottostazioni.

Tipico il funzionamento della macchina sincrona come alternatore nella centrale, di giorno, mentre la notte, come motore, mediante pompaggio, riporta l’acqua nel bacino in altura.

Figura 2) Confronto fra generatore e motore sincrono: 1) a vuoto; 2) alternatore con ruota polare in anticipo; 3) motore con ruota polare in ritardo.

 

Sulle ordinate del diagramma di fig.3 si riportano le correnti che il motore assorbe, per ciascun valore di potenza prodotta, quando si fa variare la corrente di eccitazione.

Al variare della corrente di eccitazione varia, di conseguenza, l’ampiezza della E, partendo dalla condizione di funzionamento a vuoto del motore (P=0).

Per ogni carico all’albero, mantenuto costante mentre si varia la corrente di eccitazione, corrisponde una curva a "V".

Il diagramma risulta più facilmente comprensibile immaginando di ricavarlo dalle curve di fig.1, nelle diverse condizioni di potenza, ovvero con distanze crescenti delle rette a ed e, a partire dal funzionamento a vuoto (condizione in cui le due rette sono coincidenti).

A vuoto, con I_e= 0, il motore assorbe la I_cc=U/X_s. Al crescere della I_e inizia l’aumento della E, che va a controbilanciare la tensione U e quindi la corrente assorbita I diminuisce, fino ad annullarsi quando U=E. Andando in sovreccitazione la I torna a crescere linearmente.

Se ora il motore fornisce potenza le due rette, non più sovrapposte come nel caso precedente, si distanziano di una quantità proporzionale alla potenza fornita.

Il valore minimo di E è ora imposto dalla distanza delle rette a ed e. All’aumento della E la corrente I diminuisce fino al valore minimo corrispondente all’eccitazione giusta. In sovreccitazione la corrente ricresce sempre più, man mano che aumentano I_e ed E.

In fig.3 la curva di color rosso (per P₁=costante) è relativa alla condizione di carico di fig.1 e sono rappresentati i tre punti ad essa relativi. La Eae è quella minima ed è, orizzontalmente, la distanza tra le rette a ed e.

La curva limite di stabilità l.s. è quella che passa per i valori minimi delle f.c.e.m. che, in volt, sono rappresentati dalle distanze tra le due rette citate.

Si è già detto che per δ>90° la macchina perderebbe il passo, con assorbimenti sempre più alti della corrente I, mentre con δ=90° si ha il valore limite della stabilità.

La curva che passa per i valori minimi di corrente assorbita, per le diverse potenze in gioco, è la curva del f.d.p. unitario, a cui corrisponde l’eccitazione giusta. Alla sua sinistra la macchina è sottoeccitata, mentre a destra si ha la condizione di sopraeccitazione.

La caratteristica meccanica T(Ω) è una retta verticale, come mostra la fig.4, e quindi al variare del carico la velocità di rotazione, a parità di frequenza di rete, rimane rigorosamente costante.

Se l’alimentazione del motore proviene da un convertitore in grado di modificare con continuità la frequenza, la regolazione di velocità è anch’essa continua.

In particolare, mantenendo costante il rapporto fra la tensione di alimentazione e la frequenza, anche il flusso creato dal campo rotante rimane costante durante la variazione di velocità, e con il flusso rimane costante anche la coppia disponibile, come nel motore asincrono.

Nei motori sincroni brushless (senza spazzole) l’alimentazione dell’avvolgimento trifase dello statore proviene da un inverter, che può modificare la frequenza della tensione trifase e generare tre f.e.m. sinusoidali, in base alla posizione angolare del rotore. La posizione del rotore viene segnalata al convertitore da appositi sensori.

L’induttore del brushless è formato da magneti permanenti. Mancano quindi le perdite per eccitazione.

La ridotta inerzia rotorica conferisce a questi motori la possibilità di essere vantaggiosamente impiegati in robotica e in azionamenti per assi di macchine utensili, dove la precisione e l’elevata dinamica sono elementi essenziali.