Le apparecchiature rotanti sono così comuni, ma così incomprese, che anche gli elettricisti e gli ingegneri più esperti sono spesso tormentati da domande sul loro funzionamento. Questo articolo risponderà a sette delle domande più frequenti. Le spiegazioni sono brevi e pratiche a causa dei limiti di spazio; tuttavia, vi permetteranno di avere una migliore comprensione di queste apparecchiature.
Domanda n°1: Armatura, campo, rotore, statore: qual è?
Per definizione, lo statore comprende tutte le parti elettriche non rotanti di un generatore o motore. Sempre per definizione, il rotore comprende tutte le parti elettriche rotanti.
Il campo di una macchina è la parte che genera il campo magnetico diretto. La corrente nel campo non si alterna. L’avvolgimento dell’indotto è quello che genera o a cui è applicata una tensione alternata.
Di solito, i termini “indotto” e “campo” sono applicati solo ai generatori di corrente alternata, ai motori sincroni, ai motori a corrente continua e ai generatori a corrente continua.
Generatori di corrente alternata. Il campo di un generatore sincrono è l’avvolgimento a cui viene applicata la corrente di eccitazione DC. L’armatura è l’avvolgimento a cui è collegato il carico. Nei piccoli generatori, gli avvolgimenti di campo sono spesso sullo statore, e gli avvolgimenti di armatura sono sul rotore. La maggior parte delle grandi macchine, tuttavia, hanno un campo rotante e un’armatura stazionaria.
Un motore sincrono è praticamente identico a un generatore sincrono. Così, l’armatura è lo statore e il campo è il rotore.
Macchine a corrente continua. Nelle macchine a corrente continua, sia motori che generatori, l’armatura è il rotore e il campo è lo statore. Poiché l’indotto è sempre il rotore nelle macchine a corrente continua, molti elettricisti e ingegneri credono erroneamente che l’indotto sia il rotore in tutti i motori e generatori.
Domanda n. 2: Ho allentato la tensione della molla sulle mie spazzole, e si consumano ancora troppo velocemente. Perché?
L’usura delle spazzole deriva da due cause fondamentali: attrito meccanico e usura elettrica. L’attrito meccanico è causato dallo sfregamento delle spazzole sul commutatore o sul collettore. L’usura elettrica è causata dall’arco e dalle scintille della spazzola mentre si muove sul commutatore. L’attrito meccanico aumenta con la pressione delle spazzole; l’usura elettrica diminuisce con la pressione delle spazzole.
Per qualsiasi installazione di spazzole, c’è una quantità ottimale di pressione delle spazzole. Se la pressione viene diminuita al di sotto di questa quantità, l’usura totale aumenta perché l’usura elettrica aumenta. Se la pressione viene aumentata al di sopra della quantità ottimale, l’usura totale aumenta di nuovo perché aumenta l’attrito meccanico.
Assicuratevi sempre che la pressione delle spazzole sia impostata al livello raccomandato dal produttore. Se l’usura è ancora eccessiva, si dovrebbe indagare sul tipo e sulla dimensione della spazzola usata. Ricordate, la densità di corrente (ampere per pollice quadrato di spazzola) deve essere corretta per l’applicazione. La corretta densità di corrente è necessaria per assicurarsi che si formi un film lubrificante e conduttivo sul commutatore o sull’anello di scorrimento. Questo film è composto da umidità, rame e carbonio. Una densità di corrente insufficiente inibisce la formazione di questo film e può provocare un’eccessiva usura delle spazzole.
Anche gli ambienti con umidità molto bassa non forniscono abbastanza umidità per la formazione del film lubrificante. Se l’eccessiva usura delle spazzole è un problema in un tale ambiente, potrebbe essere necessario umidificare l’area in cui la macchina è in funzione.
Domanda n. 3: Cos’è il fattore di servizio?
Il fattore di servizio è il carico che può essere applicato a un motore senza superare i valori nominali consentiti. Per esempio, se un motore da 10 hp ha un fattore di servizio di 1,25, fornirà con successo 12,5 hp (10 x 1,25) senza superare l’aumento di temperatura specificato. Si noti che quando viene azionato oltre il suo carico nominale in questo modo, il motore deve essere alimentato con tensione e frequenza nominali.
Tenete presente, tuttavia, che un motore da 10 hp con un fattore di servizio di 1,25 non è un motore da 12,5 hp. Se il motore da 10 hp viene fatto funzionare continuamente a 12,5 hp, la sua vita isolante potrebbe diminuire fino a due terzi del normale. Se hai bisogno di un motore da 12,5 hp, comprane uno; il fattore di servizio dovrebbe essere usato solo per condizioni di sovraccarico a breve termine.
Domanda n. 4: Cos’è un campo magnetico rotante e perché ruota?
Un campo magnetico rotante è uno i cui poli nord e sud si muovono all’interno dello statore, proprio come se una barra magnetica, o dei magneti, fossero fatti girare all’interno della macchina.
Guarda lo statore del motore trifase mostrato nel diagramma allegato. Si tratta di uno statore a 2 poli con le tre fasi distanziate a 120 intervalli. La corrente di ogni fase entra in una bobina su un lato dello statore ed esce attraverso una bobina sul lato opposto. Così, se una delle bobine sta creando un polo nord magnetico, l’altra bobina (per la stessa fase) creerà un polo sud magnetico sul lato opposto dello statore.
In posizione 1, la fase B sta creando un forte polo nord in alto a sinistra e un forte polo sud in basso a destra. La fase A sta creando un polo nord più debole in basso a sinistra e un polo sud più debole in basso. La fase C sta creando un campo magnetico complessivo, con il suo polo nord in alto a sinistra e il suo polo sud in basso a destra.
Alla posizione 2, la fase A sta creando il forte polo nord in basso a sinistra e un forte polo sud in alto a destra; così i poli forti hanno ruotato di 60 in senso antiorario. (Notate che questa rotazione magnetica di 60 corrisponde esattamente a un cambiamento elettrico di 60 nelle correnti di fase). Anche i poli deboli hanno ruotato di 60 in senso antiorario. Questo, in effetti, significa che il campo magnetico totale ha ruotato di 60 dalla posizione 1.
Con un’analisi più dettagliata, possiamo mostrare che l’intensità del campo magnetico ruota dolcemente dalla posizione 1 alla posizione 2 come le correnti in ciascuna delle fasi varia su 60 gradi elettrici. L’analisi delle posizioni 3, 4, 5 e 6 mostra che il campo magnetico continua a ruotare.
La velocità alla quale il campo magnetico ruota è chiamata velocità sincrona ed è descritta dalla seguente equazione:
S = (f x P) / 120 dove S = velocità di rotazione in giri al minuto f = frequenza della tensione fornita (Hz) P = numero di poli magnetici nel campo magnetico rotante
Se un magnete permanente fosse posto in questo statore, con un albero che gli permettesse di ruotare, sarebbe spinto (o tirato) alla velocità sincrona. Questo è esattamente il modo in cui funziona un motore sincrono, tranne che il campo magnetico del rotore (campo) è creato dall’elettromagnetismo invece che da un magnete permanente.
Il rotore di un motore a induzione è composto da avvolgimenti cortocircuitati, e una corrente è indotta negli avvolgimenti del rotore quando il campo magnetico rotante li attraversa. Questa corrente crea un campo che si oppone al campo rotante. Come risultato, il rotore viene spinto (o tirato) dal campo rotante. Si noti che il rotore del motore a induzione non può ruotare a velocità sincrona, poiché il campo rotante deve attraversare gli avvolgimenti del rotore per creare la coppia. La differenza tra la velocità sincrona e la velocità reale del rotore è chiamata percentuale di slittamento; è espressa in percentuale.
I motori monofase hanno anche un campo magnetico rotante. Il campo rotante richiesto per avviare il motore è generato da un secondo avvolgimento chiamato avvolgimento di avviamento. Dopo che il motore ha raggiunto la velocità, l’avvolgimento di avviamento viene scollegato, e il campo rotante viene sviluppato dall’interazione tra l’avvolgimento principale dello statore e il rotore.
Domanda n°5: Come funziona un generatore a induzione?
Un generatore a induzione è identico nella costruzione a un motore a induzione. Gli avvolgimenti dello statore sono collegati a un sistema di alimentazione trifase, e le tre fasi creano un campo magnetico rotante. Il rotore del generatore a induzione è messo in rotazione da un motore principale, che gira più velocemente della velocità sincrona. Quando gli avvolgimenti del rotore attraversano il campo rotante, la corrente viene indotta in essi. Questa corrente indotta crea un campo che, a sua volta, taglia gli avvolgimenti dello statore per creare la potenza in uscita al carico.
Il generatore a induzione trae quindi la sua eccitazione dal sistema di alimentazione a cui è collegato. Il motore a induzione deve avere dei generatori sincroni collegati al suo statore per iniziare a generare. Dopo che il generatore a induzione è in funzione, i condensatori possono essere utilizzati per fornire l’eccitazione.
Domanda n°6: Perché i cuscinetti del generatore e del motore sono isolati?
Il campo magnetico all’interno di un motore o di un generatore non è completamente uniforme. Così, quando il rotore gira, si sviluppa una tensione sull’albero longitudinalmente (direttamente lungo l’albero). Questa tensione causerebbe microcorrenti per scorrere attraverso il film di lubrificante sui cuscinetti. Queste correnti, a loro volta, causerebbero piccoli archi elettrici, riscaldamento ed eventuale rottura dei cuscinetti. Più grande è la macchina, più grave diventa il problema.
Per evitare questo problema, il lato rotore del corpo del cuscinetto è spesso isolato dal lato statore. Nella maggior parte dei casi, almeno un cuscinetto sarà isolato, di solito quello più lontano dal motore principale per i generatori e più lontano dal carico per i motori. A volte, entrambi i cuscinetti sono isolati.
Domanda n. 7: Come fanno i generatori AC a controllare i valori, la tensione e la potenza?
Anche se i controlli di un generatore interagiscono, le seguenti generalità sono vere.
* L’uscita di potenza di un generatore è controllata dal suo motore principale.
* La tensione e/o il contributo di var di un generatore sono controllati dal livello di corrente dell’eccitatore.
Per esempio, assumiamo che un carico addizionale sia collegato all’uscita di un generatore. Il flusso di corrente aggiunto aumenterà la forza del campo magnetico dell’armatura e causerà il rallentamento del generatore. Per mantenere la frequenza, il regolatore del generatore aumenterà la potenza in ingresso al motore principale. Così, la potenza addizionale richiesta al generatore è controllata dall’input del motore principale.
Nel nostro esempio qui, il flusso magnetico netto nel traferro diminuirà, poiché l’aumento dell’indotto si oppone al flusso di campo. Se il flusso di campo non viene aumentato per compensare questo cambiamento, la tensione di uscita del generatore diminuirà. Così, la corrente di eccitazione è usata per controllare la tensione di uscita.
Guardiamo un altro esempio come ulteriore chiarimento. Supponiamo che al nostro generatore venga aggiunto un ulteriore carico var. In questa circostanza, la corrente di uscita del generatore aumenterà ancora. Tuttavia, poiché il nuovo carico non è potenza “reale”, il motore principale deve essere aumentato solo quanto basta per superare la caduta di IR aggiuntiva creata dalla corrente extra.
Come ultimo esempio, supponiamo di avere due o più generatori che funzionano in parallelo e alimentano un carico. Il generatore 1 (G1) sta portando tutto il carico (reale e reattivo) mentre il generatore 2 (G2) sta funzionando a zero watt e zero vars. Se l’operatore di G2 apre la valvola a farfalla del motore principale, G2 inizia a fornire watt al sistema. Dato che il carico collegato non è cambiato, entrambi i generatori accelereranno a meno che G1 non riduca la velocità.
Come G2 prende una parte addizionale del carico, richiede un flusso di campo aumentato. Se l’operatore di G2 non aumenta il campo di G2, G2 prenderà la sua eccitazione addizionale da G1, richiedendo a G1 di aumentare il suo livello di eccitazione. Se né G1 né G2 aumentano il livello di eccitazione, la tensione complessiva del sistema scenderà.
Cadick, P.E. è presidente, Cadick Professional Services, Garland, Tex. un membro interNational Electrical Testing Assoc. (NETA).