Principio di funzionamento

Si consideri una macchina sincrona trifase inizialmente ferma e si supponga di alimentare l'avvolgimento induttore (rotore) con una sorgente ausiliaria di corrente continua e di collegare le tre fasi dello statore ad un sistema trifase di tensioni. Le correnti che circolano nelle fasi di statore producono un campo magnetico rotante di velocità [g/1']. Tale campo tende a trascinare la ruota polare con forze tangenziali, tuttavia, se la velocità del campo rotante è troppo elevata, per inerzia la ruota polare rimarrà ferma. Infatti, il campo rotante appena avrà ruotato di un passo polare agirà sulla ruota polare con una forza opposta al moto distruggendo l'impulso precedente. La stessa vicenda si ripete in seguito ad ogni periodo e la coppia motrice media risulta nulla.

Si intuisce perciò che la ruota polare dovrà essere preventivamente portata alla velocità di sincronismo, quindi si ecciterà la macchina fino a determinare una tensione a vuoto uguale alla tensione di linea e il campo rotante dovrà essere imposto (chiudendo l'interruttore sul montante di macchina) nel preciso istante in cui esso si troverà in una posizione trasversa rispetto alla ruota (come in figura).

Successivamente si potrà sopprimere l'azione motrice esterna perché il campo rotante manterrà la ruota polare in rotazione alla velocità di sincronismo. Se, per qualche motivo, la ruota dovesse rallentare fino a perdere oltre mezzo passo polare rispetto al campo rotante, ne riceverebbe un impulso contrario al moto rallentando ulteriormente perdendo così l'intero passo polare t. Procedendo nel rallentamento, al secondo passo polare perso l'impulso ricevuto sarebbe nel verso giusto ma difficilmente in grado di riportare la ruota polare in sincronismo: il risultato finale sarà l'arresto del rotore in poco tempo. Durante tale tempo si produrranno impulsi di corrente così violenti da danneggiare la macchina, per tale motivo si deve disporre un interruttore automatico di massima corrente che stacchi la macchina dalla rete appena si produce il primo impulso.

Passaggio dal funzionamento a vuoto al funzionamento come motore

Da quanto sopra esposto, il funzionamento della macchina sincrona come motore inizia dalla condizione di parallelo con la linea, è perciò necessaria una iniziale manovra di parallelo. Appena completata la manovra, la macchina si trova a funzionare a vuoto ovvero non scambia corrente con la linea essendo la f.e.m. E₀ uguale alla tensione di linea V_Y, tuttavia bisogna tenere allacciato il motore ausiliario esterno che fornirà la potenza meccanica necessaria a vincere le coppie resistenti proprie del funzionamento a vuoto. La figura (a) mostra tale condizione con riferimento al modello di B. E. semplificato, ovvero avendo ritenuto R₀ trascurabile rispetto X_S.

Se all'albero viene applicata una ulteriore coppia motrice si crea l'angolo d di anticipo della f.e.m. E₀ rispetto alla tensione d'uscita V_Y e si passa al funzionamento come generatore rappresentato dalla figura (b) con erogazione di corrente. La corrente I è erogata essendo cosj positivo.

Se all'albero si applica una coppia frenante la ruota polare viene a subire un ritardo rispetto alla posizione che le compete nel funzionamento a vuoto e l'angolo d diventa un angolo di ritardo della E₀ rispetto alla V_Y. Ora la corrente I non è più erogata ma assorbita dalla macchina essendo cosj negativo. Invertendo la corrente si invertono le polarità del campo rotante di indotto così che si determina una coppia elettromagnetica motrice, concorde col senso di rotazione del rotore, atta a vincere la coppia meccanica frenante applicata dall'esterno. Tale coppia sarà tanto più elevata quanto più è grande l'angolo d e tale angolo assumerà quel valore per il quale si ripristinano le condizioni di equilibrio dinamico. La macchina si trova nel funzionamento come motore rappresentato dalla figura (c).

Qualunque sia il modo di funzionamento della macchina, sempre il suo modello è riassunto dall'equazione semplificata di B. E. .

Metodi per avviare i motori sincroni

Il motore sincrono, come l'alternatore, si deve, prima di collegarlo alla rete, avviarlo e fargli acquistare la velocità sincrona. Per tale scopo si adottano diversi metodi, quali:

a) avviamento del sincrono come asincrono. Si sfruttano le correnti circolanti nella gabbia di Leblanc oppure nelle testate massicce delle espansioni polari affinché il motore acquisti una velocità molto prossima a quella di sincronismo.

b) avviamento mediante l'eccitatrice. La dinamo eccitatrice coassiale viene fatta funzionare come motore, alimentandola con una adeguata sorgente di corrente continua, fino a far ottenere al gruppo la richiesta velocità.

c) avviamento mediante motore di lancio. Il motore asincrono di lancio, montato di sbalzo sull'albero del gruppo, ha una potenza dell'ordine di 1/10 di quella del sincrono, un numero di poli uguale ed è costruito in modo da avere un basso scorrimento.

Usando uno dei suindicati metodi si ottiene una velocità del sincrono molto prossima al sincronismo. Se, ora, si eccita la ruota polare del sincrono fino a che il voltmetro di macchina segni un valore di tensione uguale a quella di rete, indi si chiude l'interruttore di macchina, ha origine una coppia sincronizzante che fa entrare in passo il motore sincrono. Se l'avviamento è stato eseguito mediante l'asincrono, questo verrà disinserito dopo la sincronizzazione del sincrono.

Metodi per ridurre la corrente all'avviamento

Se si avvia il sincrono come asincrono, la macchina, alla quale nel periodo transitorio dell'avviamento è applicata la piena tensione di rete, assorbe una elevata corrente (5 ÷ 7 volte quella di pieno carico) che determina una forte caduta di tensione nella rete; ciò arreca disturbi agli altri utenti collegati alla linea. Perciò si ricorre inserendo in linea un autotrasformatore trifase abbassatore ( o delle bobine di induttanza) che verrà escluso ad avviamento avvenuto. Gli schemi sono analoghi a quelli già visti per i MAT.

Funzionamento con carico costante ed eccitazione variabile

Le condizioni di regime del motore sincrono dipendono da due variabili indipendenti che, entro i dovuti limiti, possono essere fissate a piacere: a) la coppia resistente applicata all'albero, carico della macchina; b) la f.e.m. a vuoto del motore, che può essere regolata variando l'eccitazione.

A questo punto è bene osservare che, per convenzione, si considera nel caso del motore positiva la potenza elettrica assorbita. Rispetto all'alternatore, dove si considera positiva la potenza elettrica erogata, ciò significa cambiare il segno (e perciò il verso) della corrente. L'equazione semplificata di B.E. che nell'alternatore è nel caso del motore diventa .

Nel modello di B.E. semplificato, avendo trascurato la resistenza dell'indotto rispetto alla reattanza sincrona, il segmento B_C rappresenta sia la potenza elettrica attiva assorbita Pa = 3·V_Y·I·cosj che la potenza trasformata da elettrica in meccanica 3·E₀·I·cosj₀.

Il segmento O_C rappresenta la potenza elettrica reattiva assorbita Qa = 3·V_Y·I·senj . Sempre a meno delle perdite per effetto Joule, B_C rappresenta anche la coppia motrice elettromagnetica (essendo la velocità angolare rigorosamente costante) che è uguale alla coppia frenante (formata dalla coppia utile più le coppie passive di attrito).

Nel funzionamento a carico costante dovrà essere C_B costante e, quindi, al variare della eccitazione il vettore E₀ si muoverà sulla retta t , adeguando il proprio sfasamento ed il proprio modulo. Sempre per lo stesso motivo, la componente della corrente in fase con la tensione, ovvero I·cosj , sarà costante dovendo essere costante la potenza elettrica attiva assorbita, e quindi l'estremo del vettore rappresentante la corrente dovrà stare sulla retta r. Inoltre, rimanendo costante la tensione applicata al motore, sarà l'estremo del vettore della tensione sempre sulla retta m.

Si osserva che la corrente si adegua al variare della eccitazione in modo tale da soddisfare entrambe le condizioni I·cosj = cost. , . Inoltre aumentando l'eccitazione, a parità di potenza attiva, diminuisce l'angolo di carico d" < d < d' e con questo aumenta il margine di stabilità del motore sincrono. In tal modo si interviene per evitare la perdita di passo in motori vicini al limite di stabilità (ovviamente stando attenti che la corrente assorbita sia compatibile coi limiti di dimensionamento della macchina). Se viceversa, ad un sincrono già caricato, si diminuisce l'eccitazione si verrà ad aumentare l'angolo di carico e con questo si ridurrà il margine di stabilità del motore.

Risulta ora facile discutere le tre condizioni:

figura (a) : motore sottoeccitato, assorbe una potenza reattiva induttiva;

figura (b) : motore giustamente eccitato, assorbe la minima corrente essendo cosj = 1;

figura (c) : motore sovreccitato, assorbe una potenza reattiva capacitiva.

Dai diagrammi precedenti si può mettere in relazione la corrente assorbita con la f.e.m. a vuoto nelle condizioni di tensione applicata costante, potenza erogata costante ed eccitazione variabile ottenendo così le curve a " V " del motore. Tali curve sono del tutto uguali a quelle del generatore già viste. Come per l'alternatore, lo sfasamento delle correnti è sempre determinato dal fatto che nel regime sovreccitato deve prodursi una reazione d'indotto smagnetizzante, solo che trattandosi di un motore la corrente deve essere assorbita in anticipo rispetto alla tensione (mentre per il generatore era la corrente erogata in ritardo rispetto alla tensione).

Funzionamento con eccitazione costante e carico variabile

Se rimane costante l'eccitazione del sincrono, rimane pure costante la f.e.m. E₀, di conseguenza, al variare del carico, varierà soltanto l'angolo d di ritardo della E₀ rispetto alla tensione applicata al motore V_Y, per cui l'estremo del vettore E₀ viene a descrivere un arco di circonferenza centrato in O'. Il campo di variabilità va da d = 0 (carico nullo, assorbimento di sola potenza reattiva) a d = 90°. In questa situazione il motore lavora al limite della stabilità, infatti essendo la coppia elettromagnetica motrice quella massima, un ulteriore carico frenante farebbe perdere il passo all'alternatore.

Nel caso di motore sottoeccitato valgono i diagrammi semplificati (avendo trascurato R₀) di B. E. sotto riportati:

La figura (a) rappresenta il funzionamento a vuoto (cioè senza carico applicato all'albero) nel quale il motore assorbe una corrente I₀ swattata in ritardo (salvo la piccola componente attiva di corrente assorbita per compensare le perdite nella macchina).

La figura (b) rappresenta il funzionamento a carico nel quale la potenza attiva assorbita, proporzionale al segmento B_C , vale:

e, a meno delle perdite meccaniche, coincide con la potenza meccanica erogata [W]. La macchina assorbirà dalla rete che la alimenta anche una potenza reattiva induttiva (perché sottoeccitata) proporzionale al segmento C_O e pari a Qa = 3·V_Y·I·senj [VAR].

Potenza, coppia, rendimento

Nei diagrammi precedenti si è trascurata la resistenza dell'indotto R₀ rispetto alla reattanza di dispersione X_S. Se si tiene conto di tale resistenza il diagramma di B. E. assume l'andamento riportato sopra. Da tale diagramma si ha:

moltiplicando entrambi i membri per 3·I si ha:

dove il primo membro rappresenta la potenza elettrica assorbita, il primo termine a secondo membro la potenza trasformata in meccanica, il secondo le perdite Joule nell'indotto. La coppia elettromagnetica motrice generata vale:

Si osserva che, a parità di potenza assorbita, la coppia motrice generata è massima quando cosj = 1 essendo in tale condizione minima la corrente.

Il rendimento del motore vale:

dove rappresenta le perdite complessive, analoghe a quelle dei generatori sincroni.

Caratteristiche meccanica e del rendimento

Dove C_MAX è la massima coppia elettromagnetica motrice raggiungibile senza uscire dal sincronismo, C_M è la coppia elettromagnetica generata in condizioni nominali, Cm è la coppia persa per vincere le perdite meccaniche, C è la coppia utile all'asse.

Applicazioni

a) Negli stabilimenti industriali ove sono installati numerosi motori asincroni, si sostituisce uno di questi con un sincrono sovreccitato che svolge così la doppia funzione di motore e rifasatore.

b) All'arrivo delle linee di trasmissione, collegati in derivazione e funzionanti a vuoto, opportunamente sovreccitati svolgono la funzione di condensatori sincroni. In tal modo è possibile disimpegnare gli alternatori delle centrali dalla erogazione di potenza reattiva induttiva.

c) All'arrivo delle linee di trasmissione, collegati in derivazione, funzionanti a vuoto e fortemente sovreccitati danno luogo ad elevati sfasamenti in anticipo per cui si determina negli alternatori in centrale una sopraelevazione di tensione (effetto Ferranti) anziché una caduta. E' perciò possibile regolare il valore della tensione nei centri di consumo. Il sincrono, ubicato nelle stazioni di trasformazione, funziona come regolatore della tensione al variare del carico.

Macchine sincrone
Programma per la classe quinta
Home Page