Chiarimenti generatore asincrono

[fede1989]

Salve a tutti,..
Ho aperto questo nuovo post per avere dei chiarimenti riguardo l'utilizzo delle macchine asincrone come alternatori, sia per motivi di interesse culturale, sia nello specifico per esigenze "sperimentali".L'esperimento consiste nell'utilizzo di un piccolo motore ad induzione monofase come generatore, accoppiato ad una macchina idraulica.
Ricapitolando,il comportamento da generatore si realizza quando il rotore supera la velocità di sincronismo del campo rotante.Questa affermazione implica però che esista un campo rotante a prescindere dall'azione del rotore stesso sullo statore..in altre parole la macchina deve essere collegata ad una rete elettrica giusto?
In assenza del campo rotante generato dagli avvolgimenti statorici, la macchina potrebbe al più comportarsi come un generatore sincrono per effetto della magnetizzazione residua presente nel rotore o sbaglio?Data la piccola intensità del campo magnetico prodotto dalla magnetizzazione del rotore, tale effetto sarebbe irrisorio dal punto di vista della potenza generata..
Per produrre una potenza significativa è quindi indispensabile generare il campo magnetico.
Ho letto qualcosa (di poco chiaro) riguardo la possibilità di utilizzare il generatore asincrono anche in assenza di collegamento ad una rete trifase,sfruttando un carico capacitivo.
Potete darmi delle indicazioni teoriche e pratiche sul funzionamento della macchina in tali condizioni?
Grazie,..e scusatemi se l'ho tirata x le lunghe..

[fpalone]

Salve fede1989,
finché la macchina asincrona è collegata alla rete non c'è nessun problema. Dal diagramma circolare, o dalla relazione coppia-scorrimento, è evidente come superata la velocità di sincronismo la macchina si comporti da generatore, a condizione che la rete esterna possa sostenere la tensione, ossia fornire alla macchina la potenza reattiva necessaria al funzionamento.
Nel caso la macchina sia collegata ad una rete passiva (senza generatori) le cose diventano abbastanza più complicate:
la magnetizzazione residua del rotore, quando questo è messo in movimento, può comunque andare a generare una debole f.e.m. sul circuito di statore; se il circuito di statore è collegato ad un carico capacitivo, tale da fornire all'asincrono la potenza reattiva necessaria per una data tensione, corrente e frequenza di funzionamento, si ha l'autoeccitazione della macchina.
Il problema operativo è che, se si vuole tenere costante la tensione al variare della potenza erogata, bisogna variare la capacità collegata alla macchina. Inoltre la frequenza ai morsetti scenderà (salirà) al crescere (diminuire) del carico erogato. Perciò se la si vuole tenere fissa occorrerà variare il numero di giri del rotore.
In pratica esistono alcune applicazioni di generatori asincroni in isola, ma quasi tutte fanno ricorso ad inverter per pilotare la macchina.
Ci sono comunque altre discussioni al proposito sul forum, per esempio:
questa o questa, dove hai già potuto vedere i link forniti da RenzoDF

[fede1989]

Ti ringrazio per la risposta.
In effetti avevo già cercato se ci fossero delle discussioni che potessero chiarirmi le idee senza aprirne di nuove, ma sfortunatamente non ho trovato tutte e risposte che cercavo.
Posso chiederti di essere così cortese da chiarirmi alcuni passaggi della tua risposta?In particolare, cosa intendi per:

a condizione che la rete esterna possa sostenere la tensione

?
Se in un determinato momento una macchina asincrona (in seguito MA) viene collegata alla rete e il suo rotore viene portato in velocità di ipersincronismo, cosa succede alla rete? Presumo che la potenza attiva generata dalla MA venga trasferita agli utilizzatori della rete, giusto? Ma dal punto di vista degli altri generatori che alimentano la rete,cosa succede?Devono rispondere alla variazione riducendo la loro quota di potenza attiva generata, o vado errato?
Supponiamo che la rete si possa schematizzare come un unico generatore equivalente (di seguito GEq) collegato a dei carichi (utilizzatori) e alla mia MA. Dal punto di vista pratico, se collegassi il mio generatore asincrono alla rete non produrrei nessun danno o "scompenso" a quest'ultima vero? perché semplicemente la mia MA fornirebbe parte della potenza attiva e assorbirebbe potenza reattiva. Quindi il GEq vedrebbe ai suoi morsetti una rete che assorbe meno potenza attiva e più reattiva, cioè come se avesse un cosfi + piccolo.
Per ora fermiamoci qui,..ti ringrazio in anticipo se vorrai rispondermi..

[fpalone]

Quindi il GEq vedrebbe ai suoi morsetti una rete che assorbe meno potenza attiva e più reattiva, cioè come se avesse un cosfi + piccolo

Sì, è così.
Il problema non si pone se la macchina è collegata ad una rete "forte", come è in genere quella di distribuzione, mentre si pone se si alimenta la macchina in una rete isolata con pochi generatori sincroni, od al limite con solo degli inverter.

[fede1989]

Ti ringrazio nuovamente per i chiarimenti..
Per quel che riguarda invece il generatore asincrono isolato,cioè senza che vi siano altri generatori in rete, è corretta la seguente interpretazione?
1-il rotore possiede una magnetizzazione residua, che genera un campo magnetico che ruota in modo solidale al rotore.
2- indipendentemente dalla velocità di rotazione del rotore si genera una variazione di flusso nei canali statorici,quindi una fem con frequenza proporzionale alla velocità di rotazione del rotore (poniamo tale frequenza pari a F).
3- tutta la rete collegata ai morsetti della MA, ed in particolare il banco di condensatori, risentirà di una fem di frequenza F.Nei conduttori di statore scorrono correnti alternate di frequenza F.Si genera un campo magnetico rotante di velocità angolare V= F*60/numero coppie polari statore.
4- Se il rotore della MA ha una velocità superiore a V, si comporta da generatore.
Allora la frequenza della rete sarà F,giusto?come influiscono in tutto questo i condensatori?

[fpalone]

dunque,

indipendentemente dalla velocità di rotazione del rotore si genera una variazione di flusso nei canali statorici,quindi una fem con frequenza proporzionale alla velocità di rotazione del rotore (poniamo tale frequenza pari a F)

la frequenza è in effetti quella di rotazione del rotore (ovviamente tenuto conto del numero di poli), quindi non direi "indipendentemente dalla velocità di rotazione". Inoltre la frequenza della tensione generata ai morsetti della macchina asincrona rimane "sincrona" con quella del rotore fino a che non si collega un qualunque carico. A quel punto per trasferire potenza occorre un determinato scorrimento e pertanto, se si mantiene fissa la velocità di rotazione dell'albero, la frequenza ai morsetti della macchina scenderà. I condensatori, devono sempre fornire la potenza reattiva necessaria al funzionamento, altrimenti la tensione ai morsetti crollerà; tieni inoltre presente che al variare della tensione e della frequenza generata varia anche la potenza reattiva fornita dai condensatori, ma anche la potenza attiva assorbita dal carico.
In altre parole non è affatto semplice controllare tensione e frequenza in condizioni simili, visto che le grandezze sono fortemente interdipendenti. Per avere un'idea a grandi di quello che succede puoi ricorrere al circuito equivalente della macchina, ricordando che è pensato per lavorare con frequenza di rete costante e non con frequenza di rotazione costante.

EP_asincrono.JPG (7.3 KiB) Osservato 3723 volte

Immaginiamo di lavorare a regime, con velocità superiore a quella di sincronismo. La resistenza sarà negativa, e la potenza da lei generata, dovrà compensare quella assorbita dal carico (rappresentato dalla resistenza Rl) e persa sulla macchina (ossia su ). La capacità C dovrà invece compensare la potenza reattiva assorbita da ( che varia con la corrente di carico) e (che varia con il quadrato della tensione ai suoi capi, diversa a sua volta da quella ai morsetti a,b della macchina).
Già a questo punto le cose non sono semplicissime.. .
Se il carico (Rl) variasse, lo scorrimento dovrebbe cambiare anch'esso per soddisfare di nuovo il bilancio della potenza attiva. Questo può avvenire in due modi:
1)un sistema automatico fa accelerare il motore primo, aumentando lo scorrimento senza variare la frequenza ai morsetti a,b
2)la frequenza dell'albero motore non cambia e cambia la frequenza ai morsetti.
In entrambi i casi la capacità dovrebbe cambiare per potere bilanciare nuovamente la potenza reattiva, ovviamente in modo diverso a seconda che si abbia il caso 1) oppure il caso 2).
Per considerazioni più precise ed in transitorio converrebbe di sicuro passare ad un modello usando la trasformata di park.

PS
su questo PC non ho strumenti per fare un disegno migliore, appena posso provvedo!

[fede1989]

Non preoccuparti.il disegno è abbastanza chiaro anche così.
Se ho ben capito, quindi, quando si collega un carico al generatore e si mantiene inalterata la velocità di rotazione del rotore, per realizzare il trasferimento di potenza dal generatore al circuito la frequenza elettrica della rete deve scendere, fino a realizzare il necessario scorrimento,esatto?..ok..Diciamo che da un punto di vista energetico tutto torna..non mi è molto chiaro come avvenga nello specifico dal punto di vista elettrico, ma forse questo è dovuto all'abitudine a ragionare su reti elettriche "forti" e che lavorano a frequenza costante..
Tornando a quel che riguarda il generatore inserito nella rete con generatori sincroni,se non vado errato al crescere dello scorrimento s del rotore rispetto al campo (s con segno negativo ovviamete), si produce una variazione del flusso attraverso le sbarre/avvolgimenti del rotore, quindi delle correnti negli avvolgimenti/ sbarre del rotore.A loro volta, queste correnti producono un campo magnetico che ruota con il rotore e, rispetto allo statore, ruota con la stessa frequenza della rete. Questo fa crescere la tensione ai morsetti della MA vero?

[fpalone]

A loro volta, queste correnti producono un campo magnetico che ruota con il rotore e, rispetto allo statore, ruota con la stessa frequenza della rete. Questo fa crescere la tensione ai morsetti della MA vero?

immaginando che la rete a monte della MA sia prevalentemente induttiva, più aumenta lo scorrimento più aumenta la potenza reattiva assorbita dalla MA, e quindi più scende la tensione ai morsetti della macchina stessa. In questo non cambia che la macchina sia generatore o motore, è il verso della potenza reattiva (che nel caso dell'asincrono non cambia) a determinare, su rete induttiva, il verso della caduta di tensione. Lavorando con la trasformata di Park questo si vede meglio: immagina la macchina asincrona come una macchina sincrona a poli salienti con il circuito di campo aperto (in pratica con la sola coppia di riluttanza). Non puoi produrre potenza reattiva, la devi assorbire dalla rete sia nel funzionamento da motore che da generatore e quindi la tensione si abbasserà al crescere della potenza attiva assorbita (o generata).
PS.
Se non sono indiscreto, cosa studi, e dove?

[fede1989]

Perdona le mie lacune,..studio ingegneria meccanica a Vicenza.Purtroppo il mio ordinamento prevede solo una trentina di ore di macchine elettriche..Sfortunatamente non so interpretare il diagramma circolare(anche se conto di dedicarci un po' di tempo appena possibile) e non mi è chiaro cosa intendi per trasformata di Park.
In effetti per quanto riguarda il discorso della tensione ai morsetti, io avevo fatto un paragone con quello che succede nel funzionamento da motore e pensavo che semplicemente il tutto si invertisse..In questo momento ho troppi impegni per poter dedicare il tempo necessario ad approfondire questo argomento, quindi cerco di farmi un'idea di massima per poi pensarci in modo più rigoroso quando avrò più tempo.
Ti ringrazio per la pazienza con cui mi rispondi!

[fpalone]

Salve fede1989,
in effetti per procedere con ordine sarebbe meglio studiare prima il diagramma circolare e dopo entrare nel dettaglio del funzionamento da generatore. Comunque penso che in 30 ore non siate scesi molto in dettaglio su questo argomento...
Per quanto riguarda la trasformata di Park, a titolo di curiosità puoi dare una letta qui, anche se non credo sia nel tuo programma.