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Tema di Elettrotecnica

Premessa

Come si sa la novità ( una vera novità?) della Maturità 2008 sono gli errori nelle tracce dei temi. Si è parlato molto di quello relativo alla poesia di Montale. Nel testo della versione di greco mancava una parola; errori c'erano nei temi di lingua. Electroportal, anche su sollecitazioni dei suoi visitatori, analizza qui il tema di Elettrotecnica relativo all'indirizzo: ELETTROTECNICA E AUTOMAZIONE, scoprendo anche in esso incongruenze piuttosto incredibili, come si vedrà. Vediamo dunque il 

Tema di ELETTROTECNICA

(testo valevole per i corsi di ordinamento, per i corsi sperimentali del Progetto "SIRIO" ) Elettrotecnica,

Due trasformatori con le seguenti caratteristiche:

potenza nominale

tensione nominale primaria

tensione secondaria a vuoto

potenza di corto circuito

potenza a vuoto

cosφCC

120 kVA

20 kV

400 V

2,4 %

0,9 %

0,4

160 kVA

20 kV

400 V

2,2 %

0,8 %

0,4

sono collegati in parallelo per alimentare, alle loro tensione nominale di 380 V, i seguenti tre motori asincroni trifase a 4 poli:

numero motori

potenza nominale

rendimento

cosφ

coppia nominale

2

90 kW

0,94

0,86

581 N m

1

30 kW

0,92

0,83

195 N m

 II candidato, fatte eventuali ipotesi aggiuntive, calcoli:

  1. la corrente erogata da ogni trasformatore e il rendimento complessivo del parallelo considerando che i motori lavorano nelle condizioni nominali;
  2. lo scorrimento per ogni motore;

Inoltre, considerando che il motore di potenza 30 kW ha un rapporto di trasformazione tra statore e rotore di 1,3, che le perdite meccaniche sono pari a 750 W e che nella prova a vuoto il motore ha assorbito una potenza di 1800 W con cosφ0 = 0,25, si determini:

  1. il rendimento nominale del motore;
  2. il valore della resistenza del reostato da inserire su ciascuna fase del rotore per ottenere una riduzione del 10% della velocità del motore, con la stessa coppia applicata;

Infine, considerando che uno dei motori di potenza nominale 90 kW lavora in modo non continuativo, il candidato illustri le conseguenze sull'impianto, durante la fase di fermo, in particolare in riferimento al suo rendimento complessivo

Procedimento per le prime due domande

Dopo aver verificato che le condizioni di parallelo dei trasformatori siano verificate, tracceremo il circuito equivalente dell'impianto,  determinando con esso le grandezze elettriche che consentiranno di determinare il rendimento delle macchine nelle condizioni di funzionamento. Per lo scorrimento dei motori è necessario calcolare la potenza meccanica prodotta effettivamente da ciascuno di essi che, divisa per la coppia nominale fornisce la velocità angolare effettiva

Il rendimento del parallelo

Per un corretto funzionamento in parallelo ( non  dimenticando però di osservare che, per quanto possibile, è una soluzione impiantistica che sarebbe meglio evitare) occorre che i trasformatori appartengano allo stesso gruppo, abbiano lo stesso rapporto di trasformazione , la stessa tensione percentuale di cortocircuito, lo stesso fattore di potenza in cortocircuito.

Per il gruppo il testo non specifica nulla, ma evidentemente dobbiamo supporre che la condizione sia sottintesa. Assumiamo siano ad esempio del gruppo Dy11. Il rapporto di trasformazione è KT=20000/400=50 identico per i due trasformatori; il fattore di potenza di cortocircuito è lo stesso (0,4). La tensione di cortocircuito percentuale dobbiamo ricavarla dai dati della prova in cortocircuito. A questo proposito osserviamo che il testo avrebbe dovuto specificare che per potenza di cortocircuito si intende quella misurata nella prova in cortocircuito, anche se il valore % fa chiaramente capire che di quella si tratta. Si ha:

Notiamo una diversità nella tensione di cortocircuito il che ci dice non trattarsi di un parallelo perfetto. Ad ogni modo, per semplicità dei calcoli, lo assumeremo tale.

Il circuito equivalente su cui ragionare è il seguente, dove i trasformatori in parallelo sono rappresentati solo dalle loro impedenze di cortocircuito ed i due motori dalla impedenza equivalente relativa al funzionamento specificato.

Determiniamo ora i parametri del circuito equivalente semplificato dei due trasformatori. Per il funzionamento a carico, quindi per ripartire la corrente tra i due trasformatori, ci è sufficiente conoscere i parametri longitudinali: Resistenza equivalente, Req e reattanza equivalente Xeq, deducibili dai dati della prova in cortocircuito.

I motori, nelle condizioni specificate di funzionamento nominale, sono visti dai trasformatori come un'impedenza:

La corrente complessiva assorbita dai due motori è perciò

sfasata di 31° in ritardo rispetto alla tensione.

Per determinare la corrente su ogni trasformatore, basta ripartirla tra le loro impedenze interne mediante la formula del partitore

Il rendimento complessivo dei due trasformatori è dato dal rapporto tra la potenza attiva assorbita dai motori e la potenza in ingresso. Quest'ultima è data dalla potenza assorbita dai motori aumentata delle perdite nel ferro e nel rame del trasformatore.

Osservazione: i calcoli precedenti sono stati fatti nell'ipotesi che la tensione sui motori sia esattamente quella nominale, condizione peraltro specificata dal testo. Questo richiederebbe, nel caso la tensione primaria del trasformatore fosse esattamente 20 kV, che la caduta interna dei trasformatori sia di 20 V.

Verifichiamo quant'è in realtà se i motori lavorano nelle condizioni nominali.

Quindi è inferiore a 20 V. La tensione realmente applicata ai carichi è, se 400 è l'effettiva tensione a vuoto dei trasformatori,  400-15,4=384,6 V. E' l'1,2% in più rispetto alla nominale, valore ampiamente nei limiti. Si ritiene pertanto inutile correggere i valori effettivi delle correnti assorbite. D'altra parte il testo afferma che i motori lavorano nelle condizioni nominali, quindi implicitamente che la tensione a vuoto del trasformatore sia non 400 V ma 395,4 V, quindi che la tensione primaria non è 20000 V ma 395,4*50*19770 V. Se la tensione primaria fosse stata esattamente 20 kV basta trovare la corrente con

Lo scorrimento nominale

Il calcolo dello scorrimento nominale è molto semplice. Basta trovare la velocità nominale dividendo la potenza nominale per la coppia nominale, entrambi valori dati e la velocità di sincronismo.

Le due domande successive

Queste ulteriori domande sono state inserite certo per testare più a fondo le conoscenze dei maturandi e pilotare i migliori verso le valutazioni più elevate della sufficienza già raggiunta rispondendo alle prime. Ma è agli esperti del ministero che per queste due domande la valutazione deve essere diminuita. Vediamo il perché.

Il rendimento nominale( !? )

La prima è evidentemente errata (o insensata, a scelta): chiede un dato del problema! Il rendimento nominale del motore da 30 kW è appunto 0,92, riportato in tabella. Potremmo dunque rispondere semplicemente ricopiando quel dato. Verrebbe da pensare ad uno scherzo, una di quelle domande tipo: "Di che colore era il cavallo bianco di Napoleone?". Sembra però che non sia così perché non c'è solo quella domanda scherzosa. A seguire ci sono dati non realistici.

Se osserviamo cataloghi  di motori reali quadripolari di quella potenza il rendimento fornito è realistico. Anche la coppia fornita. Eccone per esempio uno

Non c'è dunque alcun bisogno di calcolarlo per cui la domanda è incomprensibile, a meno che gli esperti non fossero in vena di scherzi. Ma supponiamo che l'aggettivo "nominale" sia di troppo e che sia richiesto il rendimento del motore nelle condizioni di lavoro. E' evidente che tali condizioni devono essere specificate. L'unica precisazione presente nel testo sta nella prima domanda, cui si è già risposto, dove si dice: "[..] considerando che i motori lavorano nelle condizioni nominali". Quindi è proprio il rendimento nominale che viene chiesto. Supponiamo allora che il dato fornito in tabella sia sfuggito e che in realtà sia da calcolare con i dati successivamente forniti. Trascuriamo il particolare  che ciò avrebbe reso impossibile rispondere alle prime due domande, per l'impossibilità di determinare la corrente del motore, che avrebbe dovuto in tal caso essere un dato, ci si accorge che non ancora non si può rispondere. Per il rendimento occorre calcolare le perdite nel rame di statore, quindi occorre conoscere la corrente e la resistenza dell'avvolgimento. L'inconsistenza della domanda è poi aggravata dall'incongruenza dei dati ulteriori, incompatibili con le caratteristiche di un motore reale. Infatti supponiamo di riferirci ai dati di un motore reale, come quello di tabella. La totale potenza persa è:

Le perdite a vuoto fornite dal testo sono P0=1800 W comprendono le perdite nel ferro e quelle meccaniche. La differenza  di Pp-P0=808 W deve comprendere le perdite nel rame di rotore e statore, Pcu,  e le perdite addizionali, Padd. Francamente non è realistico che le perdite nel rame a carico siano la metà di quelle a vuoto. Si deve quindi dedurre che anche P0 è un dato errato. Io stenderei a questo punto il famoso velo pietoso sulla domanda. Se si cerca di determinare il rendimento tenendo per buona una corrente nominale di 54 A (vedi tab. riportata per il motore di 30 kW) ed ipotizzando una resistenza di statore di 0,2 ohm, si ottiene e trascurando le perdite addizionali

mentre se teniamo buoni tutti i dati avremo, sempre trascurando le perdite addizionali

un valore evidentemente impossibile per un motore reale.

Finiamola dunque qui con questa domanda. I dati sono incoerenti dal punto di vista logico in quanto fanno cadere in un circolo vizioso ed inconsistenti dal punto di vista di una macchina reale. Inventare i dati per un circuito elettrico qualsiasi senza specificare la realtà cui si riferisce è anche possibile, ma quando il circuito deve rappresentare macchine reali non si può andare a caso.

Vediamo se va meglio con la seconda

L'espressione della coppia, che deve rimanere costante, è data dalla potenza trasmessa al rotore diviso la velocità di sincronismo. Quest'ultima è una costante, quindi la costanza della coppia richiede la costanza della potenza trasmessa al rotore. Con riferimento al circuito equivalente semplificato del motore

si ha dunque

La resistenza reostatica fa variare la resistenza rotorica, R2 e, contemporaneamente, varia lo scorrimento s. La condizione che soddisfa al requisito di mantenere la coppia costante di venta allora

Occorre perciò calcolare la resistenza di rotore e lo scorrimento nella nuova condizione di funzionamento.

Cominciamo da quest'ultimo che è più semplice determinare. La nuova velocità è il 10% inferiore a quella nominale e la velocità di sincronismo è la stessa

.

Più laborioso è il calcolo della resistenza di rotore, per il quale, si devono comunque utilizzare, facendo finta di niente, alcuni degli inaffidabili dati forniti.

NB: nella figura precedente è stato anche disegnato il diagramma vettoriale delle correnti, qui utilizzato per la scrittura delle correnti come numeri complessi, avendo assunto come asse reale quello della tensione U=230 V.

La domanda conclusiva non esige calcoli, che comunque non è nemmeno proibito fare. Ciò che si può dire, senza fare calcoli, è che la corrente complessiva diminuirà, quindi diminuiranno le perdite nel rame dei trasformatori, mentre le perdite nel ferro rimarranno sostanzialmente invariate. Poiché nella condizione già studiata le perdite nel rame erano abbastanza maggiori di quelle nel ferro, nella nuova condizione potrebbero diventare molto simili, quindi ci si potrebbe trovare nella condizioni di massimo rendimento per i trasformatori che si verifica quando le perdite nel rame sono uguali a quelle nel ferro. Quindi si potrebbe dire che, probabilmente, il rendimento complessivo aumenta. I calcoli possono essere questi

Immaginando che la tensione sia quella che dava luogo ai 380 V nella condizione precedente, quindi 395,4 V, la corrente da ripartire sui due trasformatori è

per cui le nuove perdite nel rame si possono calcolare con

quindi il rendimento complessivo nuovo è

Conclusione

Il tema assegnato è un esercizio classico di macchine elettriche con le due più classiche macchine, trasformatore e motore asincrono con cui avrà a che fare un perito industriale. E' indubbiamente laborioso anche se le difficoltà non sono grandiose, se si esclude quelle create dalla commissione che ha deciso i dati. Non so quale sia la percentuale di allievi che effettivamente è arrivata a completare il tema. Temo non alta, considerando il livello medio dei nostri ragazzi. Ma spero di sbagliarmi. Certo che, per farli confondere, non era assolutamente necessario che gli esperti ministeriali si impegnassero a tal punto fornendo addirittura domande che tali non sono e dati troppo inventati. I nostri ragazzi sanno benissimo confondersi anche con dati corretti.

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Commenti e note

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di raffa,

il nostro proff in preparazione alla maturità di quest'anno, durante la simulazione ci ha dato questo esercizio... io ho preso 5... uno solo lo ha completato,... abbiamo avuto a che fare con altri esercizi con dati presubilmente errati, come potenze che venivano negative perchè bisognava intuire un altro rendimento del motore. se quest'anno alla maturità esce fuori una cosa del genere penso di essere rovinato...

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di Claudio ,

Io invece sono riuscito a risolvere solo i primi due quesiti e, sinceramente, sono andato in confusione con le seconde domande. Anche i miei commissari ed il mio prof. si sono meravigliati della domanda che chiedeva il rendimento nominale.

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di Mirko Aresu,

Ho affrontato il 19.06 questo compito d' esame. Sono riuscito a completarlo ed a prendere 15 punti. L' ho svolto completamente anche se con un procedimento più semplice.

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