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AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI

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AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI. Gli avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti si distinguono principalmente a seconda del tipo di corrente: avvolgimenti in CORRENTE CONTINUA , avvolgimenti in CORRENTE ALTERNATA . Inoltre, a seconda del tipo di macchina: SINCRONA ,

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avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti
AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI
  • Gli avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti si distinguono principalmente a seconda del tipo di corrente:
  • avvolgimenti in CORRENTE CONTINUA,
  • avvolgimenti in CORRENTE ALTERNATA.
  • Inoltre, a seconda del tipo di macchina:
  • SINCRONA,
  • ASINCRONA,
  • IN CORRENTE CONTINUA,
  • si hanno tipi diversi di avvolgimenti su statore e rotore che costituiscono i circuiti elettrici di induttore e indotto.
  • Inizieremo lo studio partendo dagli avvolgimenti in CORRENTE ALTERNATA nelle MACCHINE SINCRONE, poiché questi comprendono la maggior parte dei tipi di avvolgimenti che possiamo trovare nelle macchine elettriche rotanti.
avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti2
AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI

Un’altra distinzione tra avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti è:

Esempi nelle macchine SINCRONE:

  • Concentrati attorno ai poli salienti
  • Distribuiti “concentrati” nelle cave
  • Distribuiti nelle cave
  • Distribuiti a sbarre
  • rotore ai poli salienti (anisotropo)
  • rotore liscio (isotropo)
  • statore
  • circuito smorzatore a gabbia (nel rotore a poli salienti)

corrente continua

corrente alternata

corrente alternata

avvolgimenti in corrente alternata distribuiti nelle cave
AVVOLGIMENTI IN CORRENTE ALTERNATA DISTRIBUITI NELLE CAVE

Partiamo quindi dallo studio degli avvolgimenti in corrente alternata distribuiti nelle cave che sono presenti negli statori delle macchine sincrone (e asincrone).

I conduttori attivi, interessati dalle f.e.m. utili ai fini della conversione elettromeccanica, sono quelli disposti nelle cave.

Le connessioni frontali, non sottoposte a f.e.m. utili, sono disposte sulle fronti del pacco lamellare e servono per il collegamento elettrico dei conduttori attivi.

L’insieme di due conduttori attivi collegati da una connessione frontale si definisce spira.

L’insieme delle spire i cui conduttori attivi sono disposti nella stessa coppia di cave è la matassa (o bobina).

I due lati di conduttori attivi costituenti la matassa sono detti lati di matassa.

Le due connessioni frontali della matassa sono dette teste (o testate) di matassa.

avvolgimenti in corrente alternata distribuiti nelle cave4
AVVOLGIMENTI IN CORRENTE ALTERNATA DISTRIBUITI NELLE CAVE

Gli avvolgimenti distribuiti nelle cave si possono distinguere a seconda di:

  • singolo strato
  • doppio strato
  • disposizione in cava
  • sviluppo periferico delle spire
  • forme delle teste di matassa
  • collegamenti tra matasse
  • raccorciamento
  • tipo A (spire lunghe)
  • tipo B (spire corte)
  • concentrici
  • embricati
  • a spirale
  • ondulato
  • a passo intero
  • a passo raccorciato
coppie polari
COPPIE POLARI
  • Per comprendere il significato delle diverse distinzioni tra tipi avvolgimenti, dobbiamo prima di tutto ricordare che tutte le macchine elettriche rotanti sono costituite da un certo numero di circuiti magnetici, che corrisponde al numero di coppie polari (pp), il cui flusso si concatena con due circuiti elettrici: quello di induttore (o di eccitazione) e quello di indotto.
  • Il passo polare () è la distanza tra gli assi di due poli consecutivi lungo il traferro.
  • In particolare, nella macchina sincrona il circuito elettrico di induttore si trova sul rotore e può presentarsi, come già detto, sotto forma di:
  • concentrato attorno ai poli salienti;
  • distribuito “concentrato” nelle cave.
  • In entrambi i casi, il circuito elettrico di induttore della macchina sincrona è percorso da corrente continua.
  • Poiché l’induttore è rotante, anche il flusso magnetico da esso prodotto è rotante.
circuiti elettrici e magnetici nelle macchine sincrone

N

S

S

N

N

S

S

N

CIRCUITI ELETTRICI E MAGNETICI NELLE MACCHINE SINCRONE

Macchina sincrona con avvolgimento di induttore (rotore) concentrato attorno ai poli salienti (pp2) :

Macchina sincrona con avvolgimento di induttore (rotore) distribuito “concentrato” nelle cave (pp= 1 o 2) :

pp= 3 n° poli p = 6

n° cave di statore Q = 36

n° fasi m = 3

n° cave di statore per polo e per fase q = 2

pp= 1 n° poli p = 2

n° cave di statore Q = 48

n° fasi m = 3

n° cave di statore per polo e per fase q = 8

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Faremo riferimento a macchine sincrone TRIFASI (m = 3), aventi 3 avvolgimenti di fase disposti a 120° elettrici l’uno dall’altro.

Il legame tra angolo elettrico  e angolo meccanico (o geometrico)  è:

pp = paia poli

Ad ogni passo polare corrispondono 180° elettrici.

Ogni avvolgimento di fase occupa 1/3 delle cave complessive Q.

Considerando per il momento solo avvolgimenti A PASSO INTERO, in ciascun passo polare  ogni avvolgimento di fase occupa q cave su 60° elettrici (180°/3):

p = numero poli = 2pp

m = numero fasi = 3

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone8
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Considerando solo avvolgimenti A PASSO INTERO, i gruppi di q cave occupate dallo stesso avvolgimento di fase che si susseguono lungo lo statore distano tra loro di 180° gradi elettrici, cioè di un passo polare . I successivi gruppi di lati attivi devono essere percorsi alternativamente in un senso e nell’altro.

Con questi criteri, è possibile assegnare le cave alle 3 fasi e stabilire i sensi di percorrenza.

Consideriamo una macchina sincrona trifase a 4 poli con 2 cave di statore per polo e per fase: m = 3 , p = 4 , q = 2 n° cave di statore Q = q*m*p = 2*3*4 = 24.

Disegniamo lo sviluppo in piano dello statore:

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone9
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Il criterio è di assegnare la cava 1 alla prima fase (A).

Poiché q = 2 si assegnerà anche la cava 2 alla prima fase (A).

Si assegneranno quindi alla prima fase (A) anche i gruppi di cave 7-8, 13-14, 19-20 che si trovano a 180° gradi elettrici l’uno dall’altro.

I versi di percorrenza delle cave 7-8 saranno opposti a quelli delle cave 1-2.

Poiché la seconda fase (B) deve essere distante 120° dalla prima fase (A), ad essa verranno assegnati i gruppi di cave 5-6, 11-12, 17-18, 23-24.

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone10
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Analogamente, alla terza fase (C) si assegnano i gruppi di cave 9-10, 15-16, 21-22, 3-4:

Supponiamo, per il momento, di avere un solo conduttore per cava (singolo strato):

 n° totale conduttori Nt = 24 n° conduttori per fase: N = Nt/3 = 8

Quindi ogni avvolgimento di fase sarà costituito da N = 8 conduttori che dovranno essere collegati tra loro.

N.B.: I versi indicati nei disegni rappresentano i versi di percorrenza dei conduttori inseriti nelle cave. Il verso della f.m.m. è determinato dall’andamento nel tempo delle correnti che circolano nei tre avvolgimenti di fase.

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone11
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Gli andamenti nel tempo di iA(t), iB(t) e iC(t) sono sfasati di 2/3:

All’istante t = 0:

avvolgimenti di statore nelle macchine sincrone12
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE MACCHINE SINCRONE

Perciò, all’istante t = 0, la f.m.m. sviluppata dalle correnti circolanti nei 3 avvolgimenti di fase dello statore avrà questa forma:

disposizione in cava singolo o doppio strato
DISPOSIZIONE IN CAVA:SINGOLO O DOPPIO STRATO
  • Gli avvolgimenti in alternata possono essere disposti in cava:
  • a SINGOLO STRATO, quando ogni cava contiene un solo lato di matassa:
  •  il numero di matasse è uguale alla metà del numero di cave: Nm = Q/2
  • a DOPPIO STRATO: quando ogni cava contiene due lati di matassa:
  •  il numero di matasse è uguale al numero di cave: Nm = Q
  • Gli avvolgimenti a DOPPIO STRATO sono più vantaggiosi perché:
  • le matasse sono tutte uguali fra loro (possono essere solo embricati e non concentrici);
  • si adattano a un numero di cave tale per cui Q/m sia un intero (a singolo strato deve essere un intero Q/2m);
  • presentano la massima simmetria sia meccanica sia elettromagnetica;
  • permettono la costruzione di avvolgimenti raccorciati.
sviluppo periferico delle spire spira lunga tipo a o corta tipo b
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
  • A seconda dello sviluppo periferico delle spire rispetto al passo polare si hanno:
  • avvolgimenti a SPIRA LUNGA (o di TIPO A o a POLI OMONIMI): si collegano tutti i conduttori di una fase posti sotto un polo con tutti i conduttori della stessa fase che si trovano sotto il polo adiacente. Successivi gruppi di bobine sono percorsi nello stesso senso.

connessioni frontali (teste di matassa)

conduttori attivi

connessioni frontali (teste di matassa)

Esempio con avvolgimenti CONCENTRICI

sviluppo periferico delle spire spira lunga tipo a o corta tipo b15
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
  • avvolgimenti a SPIRA CORTA (o di TIPO B o a POLI ALTERNI): si collegano metà dei conduttori di una fase posti sotto un polo con metà dei conduttori della stessa fase che si trovano sotto il polo seguente; l’altra metà dei conduttori viene collegata con metà dei conduttori della stessa fase che si trovano sotto il polo precedente. Successivi gruppi di bobine sono percorsi alternativamente in un senso e nell’altro.

connessioni frontali (teste di matassa)

conduttori attivi

connessioni frontali (teste di matassa)

Esempio con avvolgimenti CONCENTRICI

sviluppo periferico delle spire spira lunga tipo a o corta tipo b16
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
  • avvolgimenti a SPIRA LUNGA (o di TIPO A o a POLI OMONIMI):

connessioni frontali (teste di matassa)

Esempio con avvolgimenti EMBRICATI

collegamenti tra matasse

  • avvolgimenti a SPIRA CORTA (o di TIPO B o a POLI ALTERNI):

connessioni frontali (teste di matassa)

Esempio con avvolgimenti EMBRICATI

collegamenti tra matasse

forme delle teste di matassa concentrici o embricati
FORME DELLE TESTE DI MATASSA: CONCENTRICI O EMBRICATI

Gli avvolgimenti CONCENTRICI presentano matasse disuguali, interne le une alle altre e non presentano incroci alle testate:

 disposizione su ordini distinti

 non consentono il doppio strato, né il raccorciamento.

conduttori attivi

connessioni frontali

Gli avvolgimenti EMBRICATI presentano matasse tutte uguali, disposte in modo contiguo e parzialmente sovrapposte tra loro:

 di più facile realizzazione pratica;

 consentono il doppio strato.

conduttori attivi

forme delle teste di matassa concentrici o embricati18
FORME DELLE TESTE DI MATASSA: CONCENTRICI O EMBRICATI

Esempio di avvolgimenti CONCENTRICI di tipo A:

Esempio di avvolgimenti EMBRICATI di tipo A:

disposizione su ordini distinti per avvolgimenti concentrici
DISPOSIZIONE SU ORDINI DISTINTI(per avvolgimenti CONCENTRICI)

Nel caso di avvolgimenti CONCENTRICI a singolo strato, le testate sono disposte su ORDINI DISTINTI.

Se l’avvolgimento è di TIPO A, le testate possono essere disposte su 2 o 3 ordini.

2° ordine

1° ordine

1° ordine

2° ordine

collegamenti tra matasse

disposizione su ordini distinti per avvolgimenti concentrici20
DISPOSIZIONE SU ORDINI DISTINTI(per avvolgimenti CONCENTRICI)

Se l’avvolgimento è di TIPO B, le testate possono essere disposte solo su 3 ordini: le teste di ogni avvolgimento di fase occupano completamente un ordine.

3° ordine

2° ordine

1° ordine

collegamenti tra matasse a spirale o ondulati
COLLEGAMENTI TRA MATASSE:A SPIRALE O ONDULATI
  • I collegamenti tra matasse, per formare gli avvolgimenti di fase, possono essere:
  • A SPIRALE, quando le matasse sotto una coppia di poli sono collegate tra loro. Adatto quando si hanno molti conduttori per cava.

A SPIRALE, concentrico, di tipo A

A SPIRALE, embricato, di tipo A

collegamenti tra matasse a spirale o ondulati22
COLLEGAMENTI TRA MATASSE :A SPIRALE O ONDULATI
  • ONDULATI, quando si collegano i conduttori sotto i poli successivi procedendo lungo le cave sempre nello stesso senso. Adatto quando si hanno pochi conduttori per cava o per gli avvolgimenti a sbarre. Non consentono il raccorciamento.

ONDULATO, concentrico (progressivo)

ONDULATO, embricato (progressivo)

raccorciamento passo intero o raccorciato
RACCORCIAMENTO:PASSO INTERO O RACCORCIATO
  • a PASSO INTERO: quando la distribuzione dei lati di matassa nelle cave per ogni fase interessa un terzo del passo polare (/3) ed è distante un passo polare () da quella successiva (lo sviluppo periferico medio della spira è di un passo polare).
  • a PASSO RACCORCIATO: quando i lati di matassa di ciascuna fase disposti sotto un polo coprono più di un terzo del passo polare (lo sviluppo periferico medio della spira è più piccolo del passo polare).
  • Gli avvolgimenti a PASSO RACCORCIATO hanno i seguenti vantaggi:
  • minore lunghezza delle testate  minori perdite per effetto Joule;
  • si eliminano o si attenuano alcune armoniche nella f.e.m. risultante.
  • e svantaggi:
  • la f.e.m. risultante ha un valore più piccolo (3-10% in meno);
  • difficoltà per l’isolamento elettrico (entro alcune cave si trovano lati di matassa appartenenti a due fasi).