Glossario dei termini tecnici

Angolo del sincronoscopio#

Il sincronoscopio mostra l'angolo di fase tra la tensione del generatore e quella di rete. Se il generatore è un po' più veloce della rete, l'angolo continua a crescere e l'indice ruota in un verso; se è più lento, ruota nell'altro. Lo scopo è regolare la velocità finché l'indice gira molto lentamente e chiudere l'interruttore quando passa per zero. Chiudere con un angolo diverso da zero causa un picco di corrente e uno scossone di coppia finché la macchina non entra in passo.

↑ Aumentandolo: Un angolo maggiore indica tensioni più sfasate; chiudere allora l'interruttore causerebbe una corrente e un urto di coppia maggiori.

Unità

°

Tipico

0°

Angolo di accensione#

In un motore a riluttanza commutata una fase produce coppia positiva mentre la sua induttanza cresce, cioè quando il polo del rotore si avvicina all'allineamento con quello dello statore. L'angolo di accensione è la posizione del rotore in cui la fase inizia a essere alimentata. Accendere presto dà tempo alla corrente di formarsi prima dell'arrivo del polo, importante ad alta velocità quando la f.c.e.m. si oppone alla salita. Se è troppo presto, la corrente scorre più a lungo del necessario e aggiunge perdite senza molta coppia.

↑ Aumentandolo: La fase si accende più tardi, quindi si forma meno corrente prima dell'allineamento dei poli: meno coppia e minore corrente di picco.

Unità

°

Angolo di caricoδ#

In una macchina sincrona il rotore non scorre; resta invece indietro (motore) o in anticipo (generatore) rispetto al campo statorico dell'angolo di carico δ. La coppia è proporzionale a sen δ, con massimo a 90° elettrici in una macchina a rotore liscio (prima in una a poli salienti). Oltre, la macchina perde il sincronismo; il margine di stabilità è la distanza residua da quel limite.

↑ Aumentandolo: La macchina porta più coppia o potenza, fino al limite di stabilità vicino a 90°.

Unità

°

Formula

P = 3 · V · E_f · sin δ / X_s

Tipico

0–90°

Angolo di correnteθ_i#

L'angolo del vettore di corrente di statore misurato dall'asse d; stabilisce come la corrente si divide tra flusso e coppia.

↑ Aumentandolo: Intorno a 45° dà la massima coppia per ampere; un angolo minore favorisce il flusso, uno maggiore aumenta la richiesta di coppia e la tensione necessaria.

Unità

°

Formula

θ_i = atan(i_q / i_d)

Angolo di innesco del triacα#

L'angolo di innesco è il ritardo, misurato dal passaggio per zero della tensione alternata, con cui viene innescato il triac. Finché non innesca, il motore non riceve tensione; poi il triac conduce finché la corrente si annulla. A 0° il motore vede l'intera sinusoide e, al crescere dell'angolo, la tensione efficace diminuisce (circa il 70 % a 90° con carico resistivo). L'onda parzializzata aggiunge armoniche e ondulazione di coppia, il prezzo di questa economica regolazione di velocità.

↑ Aumentandolo: Il triac conduce per una parte più breve di ogni semiperiodo, quindi tensione efficace, coppia e velocità diminuiscono.

Unità

°

Tipico

0–180°

Angolo di passo#

L'angolo di passo è di quanto ruota l'albero per ogni impulso inviato al driver. I tipici stepper ibridi hanno 1,8° (200 passi per giro) o 0,9° (400 passi), determinati dal numero di denti del rotore. Il microstepping suddivide ulteriormente il passo intero sagomando le correnti degli avvolgimenti, il che rende il moto più regolare e il posizionamento più fine, anche se la risoluzione in più non aggiunge altrettanta precisione né coppia. A parità di frequenza di passo, un angolo di passo maggiore significa un albero più veloce.

↑ Aumentandolo: Ogni impulso ruota di più l'albero: la risoluzione è più grossolana e il moto meno regolare, ma la stessa frequenza di passo dà più velocità.

Unità

°

Formula

N = 360° / θ

Tipico

0.9–1.8°

Angolo di pitch della palaβ#

Angolo di rotazione delle pale attorno al proprio asse longitudinale; variarlo cambia la potenza del vento catturata dal rotore.

↑ Aumentandolo: Aumentare l'angolo di pitch riduce Cp e potenza catturata; così la turbina limita potenza e velocità oltre la velocità nominale del vento.

Unità

°

Angolo di spegnimento#

L'angolo di spegnimento è la posizione del rotore in cui si toglie la tensione di fase. Dopo, la corrente non si annulla subito: decade attraverso i diodi di ricircolo mentre l'induttanza dell'avvolgimento si oppone alla variazione. Se la corrente scorre ancora quando il rotore supera l'allineamento e l'induttanza comincia a calare, produce coppia negativa (frenante). L'angolo di spegnimento deve quindi essere abbastanza anticipato da far estinguere la corrente di coda, ma abbastanza ritardato da sfruttare la zona di induttanza crescente.

↑ Aumentandolo: La fase conduce più a lungo: all'inizio aggiunge coppia, ma la corrente può scorrere ancora quando inizia la coppia negativa, abbassando il rendimento.

Unità

°

Autoeccitazione#

Un generatore derivato alimenta il proprio avvolgimento di campo dall'uscita; il magnetismo residuo avvia la tensione, che poi cresce da sola.

↑ Aumentandolo: La tensione si instaura solo se c'è flusso residuo, il campo è collegato con la polarità giusta e resistenza di campo e velocità rientrano nei limiti.

Avvolgimento ausiliario#

L'avvolgimento ausiliario (di avviamento) è un secondo avvolgimento di statore posto a 90 gradi elettrici dal principale. Alimentato tramite un condensatore o una resistenza, la sua corrente è sfasata rispetto a quella principale, così i due avvolgimenti insieme creano un campo rotante e una coppia di avviamento. Senza di esso un motore a induzione monofase ha solo un campo pulsante e nessuna coppia a rotore fermo, anche se continua a girare se viene lanciato. Molti motori lo escludono con un interruttore centrifugo dopo l'avviamento.

↑ Aumentandolo: Aggiungerlo dà al motore un campo rotante e una coppia di avviamento; senza di esso un motore a induzione monofase non parte da solo.

Carico a lampade#

Un banco di lampade è un comodo carico resistivo: ogni lampada inserita è un'altra resistenza in parallelo, quindi la resistenza totale scende e la corrente di carico sale. Sale anche la corrente d'indotto, e la tensione ai morsetti cala per la caduta sulla resistenza d'indotto e per la reazione d'indotto. In un generatore in derivazione la tensione minore ai morsetti riduce anche la corrente di campo, e la tensione scende più che in una macchina a eccitazione separata.

↑ Aumentandolo: Ogni lampada aggiunta assorbe più corrente e la tensione ai morsetti cala ancora; in un generatore in derivazione il campo più debole accentua la caduta.

Carico elettrico#

In isola il generatore è l'unica sorgente, quindi sono gli utilizzatori a decidere quanta potenza attiva deve erogare. Un carico maggiore tende a frenare il rotore perché la coppia elettrica supera quella della turbina, e il regolatore di velocità deve aprire la turbina per ripristinare la frequenza. La corrente di carico provoca anche una caduta di tensione sull'impedenza statorica, che il regolatore automatico di tensione compensa aumentando l'eccitazione. Un carico oltre il nominale surriscalda la macchina o supera la capacità della turbina.

↑ Aumentandolo: In isola, se non si aumenta la potenza della turbina calano velocità e frequenza; se non si aumenta l'eccitazione cala anche la tensione.

Unità

kW

Carico meccanico#

Il carico meccanico è la coppia che la macchina azionata, come una pompa, un ventilatore o un nastro, richiede all'albero; qui è espresso in percentuale della coppia nominale. Il motore si stabilizza dove la propria coppia eguaglia quella resistente: quello a induzione scorrendo, quello in c.c. assorbendo più corrente di armatura e quello sincrono aumentando l'angolo di carico. Oltre il 100 % il motore è sovraccarico e si scalda, e oltre la coppia massima o di stallo si ferma.

↑ Aumentandolo: Il motore assorbe più corrente e si scalda; la velocità cala un po' (più scorrimento nel motore a induzione) e in quello sincrono cresce l'angolo di carico.

Unità

%

Tipico

0–120 %

Chopping di corrente#

A bassa velocità la f.c.e.m. di un motore a riluttanza commutata è piccola, quindi la corrente di fase salirebbe molto rapidamente superando i valori sicuri. L'azionamento esegue il chopping: toglie la tensione di fase quando la corrente raggiunge il riferimento e la riapplica quando scende un poco. Così la corrente resta vicina al limite e la coppia controllata, al prezzo di perdite di commutazione e rumore acustico.

↑ Aumentandolo: Si consente una corrente di fase maggiore: più coppia a bassa velocità, ma anche più riscaldamento.

Unità

A

Circuito equivalente#

Un circuito equivalente sostituisce avvolgimenti, ferro e traferro con poche resistenze e reattanze, così correnti, coppia e perdite si calcolano con la normale analisi dei circuiti. Il modello per fase del motore asincrono ha resistenza e dispersione statoriche, un ramo di magnetizzazione e un ramo rotorico con resistenza R_r / s. I simulatori risolvono questi modelli; ipotizzano ferro lineare e parametri costanti.

↑ Aumentandolo: Non è una sola manopola: ogni elemento (resistenza, reattanza) cambia corrente, coppia o perdite a modo suo.

Coefficiente di accoppiamentok#

Il coefficiente di accoppiamento k è la frazione del flusso prodotto da un avvolgimento che si concatena anche con l'altro, con k = M / √(L₁ · L₂). Un trasformatore ideale ha k = 1. In uno reale parte del flusso si disperde nell'aria e si concatena con un solo avvolgimento, il che appare come induttanza di dispersione (1 − k) · L e causa una caduta di tensione sotto carico. I trasformatori di potenza con nucleo di ferro arrivano a 0,95-0,99, mentre le bobine in aria e quelle debolmente accoppiate, come nella ricarica wireless, hanno valori molto minori.

↑ Aumentandolo: Più flusso si concatena a entrambi gli avvolgimenti, c'è meno induttanza di dispersione e la tensione di uscita cala meno sotto carico.

Tipico

0.9–0.99

Coefficiente di potenza (Cp)C_p#

Frazione della potenza cinetica del vento catturata dal rotore; non può mai superare il limite di Betz di 16/27 ≈ 0,593.

↑ Aumentandolo: Un Cp maggiore significa che più potenza del vento diventa meccanica; dipende dal rapporto di velocità in punta e dall'angolo di pitch.

Formula

P = ½ · ρ · A · v³ · C_p

Tipico

0.35-0.48 in practice; Betz limit 0.593

Collegamento del campo#

In un generatore a eccitazione separata l'avvolgimento di campo è alimentato da una sorgente c.c. indipendente, quindi il flusso non dipende dalla tensione d'indotto. In uno in derivazione (autoeccitato) il campo è collegato ai morsetti dell'indotto e la macchina deve costruire da sé la tensione a partire dal magnetismo residuo. L'autoeccitazione evita la sorgente aggiuntiva, ma la tensione cala di più sotto carico, perché una tensione ai morsetti minore indebolisce anche il campo.

↑ Aumentandolo: Passare da eccitazione separata a derivazione fa dipendere la tensione dall'indotto stesso: può non innescarsi e cala di più sotto carico.

Colore del LED#

Il colore di un LED è fissato dal gap di banda del semiconduttore, poiché il fotone è emesso con energia vicina a E_g e lunghezza d'onda λ ≈ 1240 / E_g (nm, con E_g in eV). I LED rossi usano AlGaInP o GaAsP con un gap vicino a 1,9 eV, i verdi e i blu InGaN con circa 2,5-3,0 eV, e il bianco è di solito un LED blu con fosforo. Un gap maggiore implica una tensione diretta più alta, da circa 1,8 V del rosso a oltre 3 V del blu, quindi al cambio di colore il resistore in serie va ricalcolato.

↑ Aumentandolo: Scegliere una lunghezza d'onda più corta (dal rosso al blu) alza la tensione diretta: serve più alimentazione e con lo stesso resistore scorre meno corrente.

Comando di velocità#

Il comando di velocità è la velocità obiettivo dell'azionamento, espressa in percentuale della velocità base, quella a cui il motore raggiunge la tensione nominale. Sotto la velocità base l'azionamento alza insieme tensione e frequenza, quindi flusso e coppia massima restano costanti. Sopra il 100 % la tensione è limitata e si applica il deflussaggio: la coppia disponibile cala circa come 1/n e la potenza resta quasi costante, fino al limite di coppia massima.

↑ Aumentandolo: L'azionamento richiede più velocità; oltre il 100 % il flusso viene indebolito e la coppia disponibile cala.

Unità

%

Condensatore di avviamento#

Grande condensatore in serie all'avvolgimento ausiliario all'avviamento; un interruttore centrifugo lo esclude quando il motore è vicino alla velocità nominale.

↑ Aumentandolo: Un valore maggiore aumenta coppia e corrente di spunto, ma uno eccessivo surriscalda l'ausiliario. Diverso da quello di marcia, agisce solo all'avvio.

Unità

µF

Condensatore di marcia#

Un singolo avvolgimento monofase produce un campo pulsante, non rotante. Un condensatore in serie con l'avvolgimento ausiliario porta la sua corrente in anticipo rispetto a quella principale, e quando le due sono sfasate di circa 90° nel tempo e nello spazio il campo ruota in modo quasi circolare. Il condensatore di avviamento è grande e viene escluso dopo l'avviamento; quello di marcia è più piccolo e resta inserito per migliorare coppia, rendimento e fattore di potenza.

↑ Aumentandolo: Coppia e rendimento migliorano finché il campo è quasi circolare; oltre quell'ottimo la corrente ausiliaria diventa troppo grande e il campo torna ellittico.

Unità

µF

Controllo di velocità#

Il coefficiente di potenza di un rotore è massimo per un particolare rapporto di velocità periferica, cioè il rapporto tra velocità della punta della pala e velocità del vento. In modalità MPPT un inseguitore imposta la velocità del rotore in modo che il rapporto resti ottimale al variare del vento, entro i limiti di scorrimento che il convertitore può gestire. In modalità manuale l'utente imposta la velocità del rotore entro la finestra di scorrimento; lontano dal rapporto ottimale la turbina cattura meno potenza di quella possibile. Oltre il vento nominale, in entrambe le modalità il controllo del passo limita la potenza.

↑ Aumentandolo: Passare da manuale a MPPT porta il punto di lavoro sulla curva del rapporto di velocità periferica ottimale: sotto il vento nominale si cattura più potenza.

CoppiaT#

La coppia è l'effetto di rotazione di una forza attorno all'asse dell'albero, T = F · r, misurata in newton-metri. Si produce nel traferro per l'interazione dei campi magnetici di statore e rotore e nella maggior parte dei motori è proporzionale alla corrente per il flusso. La potenza meccanica è P = T · ω, quindi a pari potenza una macchina più lenta ha più coppia. Il carico richiede una coppia e il motore si assesta alla velocità in cui la sua coppia eguaglia quella del carico.

↑ Aumentandolo: L'albero eroga più forza di rotazione: alla stessa velocità la potenza meccanica sale e il motore assorbe più corrente.

Unità

N·m

Formula

T = F · r

Coppia di avviamentoT_st#

Coppia che il motore sviluppa da fermo (velocità zero); deve superare la coppia del carico, altrimenti l'albero non si avvia.

↑ Aumentandolo: Una coppia di avviamento maggiore consente di accelerare carichi più pesanti, ma di solito comporta una corrente di spunto più alta.

Unità

N·m

Tipico

1.5-3 × rated for capacitor-start; 0.5-1 × for PSC

Coppia di mantenimento#

La coppia di mantenimento è la massima coppia esterna applicabile a uno stepper fermo, con gli avvolgimenti alimentati a corrente nominale, prima che l'albero venga spostato dalla sua posizione. È il dato principale di taglia di uno stepper: un piccolo NEMA 17 tiene circa 0,4 N·m. Non coincide con la coppia disponibile in rotazione, che è inferiore e cala all'aumentare della frequenza di passo. Mantenere la posizione consuma corrente piena anche senza compiere lavoro, per cui il motore si scalda.

↑ Aumentandolo: Il motore può resistere da fermo a una coppia di carico maggiore senza perdere la posizione, ma richiede più corrente e scalda di più.

Unità

N·m

Tipico

0.1–10 N·m

Coppia di stalloT_max#

Massima coppia di carico sopportabile da un motore sincrono; oltre questo valore il rotore perde il sincronismo con il campo statorico e si ferma.

↑ Aumentandolo: Aumentare la corrente di campo (e quindi la f.e.m. interna) alza la coppia massima e il margine prima che il motore perda il passo.

Unità

N·m

Formula

T_max ≈ 3 · V · E_f / (ω_s · X_s)

Coppia nominaleT_n#

La coppia nominale è quella che l'albero eroga a potenza e velocità nominali, T_n = P_n / ω_n con ω_n = 2π · n_n / 60. È limitata dal riscaldamento: il motore può superarla per poco tempo come coppia di picco, ma non in modo continuo. Le schede tecniche di servomotori e motori passo-passo indicano di solito separatamente la coppia continua e la coppia di picco, più alta.

↑ Aumentandolo: Il motore è dimensionato per un carico continuo maggiore; alla stessa velocità significa proporzionalmente più potenza all'albero, P = T · ω.

Unità

N·m

Formula

T_n = P_n / ω_n

Coppie polari#

Una macchina con p coppie polari ha 2p poli. A ogni giro meccanico il campo attraversa p coppie nord-sud, quindi la frequenza elettrica è f = p · n / 60 con n in giri/min. Ne deriva la velocità di sincronismo n_s = 60 · f / p, ed è per questo che una macchina a quattro poli (p = 2) a 50 Hz gira a 1500 giri/min. I controllori BLDC e servo usano p per convertire l'angolo misurato dell'albero nell'angolo elettrico necessario alla commutazione.

↑ Aumentandolo: A parità di velocità dell'albero la frequenza elettrica è più alta e, a una data frequenza di alimentazione, il campo ruota più lentamente.

Formula

p = N_poles / 2

Tipico

1–6

Corrente d'indottoI_a#

Corrente nell'avvolgimento d'indotto, la parte della macchina che porta la corrente di carico e produce (o assorbe) la coppia.

↑ Aumentandolo: La coppia è proporzionale alla corrente d'indotto, quindi più carico la alza; troppa scalda l'avvolgimento e, in un motore, stressa il commutatore.

Unità

A

Formula

I_a = (V − E) / R_a

Corrente di drainI_D#

La corrente che scorre nel canale dal drain al source; è la corrente di uscita del MOSFET ed è controllata dalla tensione di gate.

↑ Aumentandolo: È zero sotto la tensione di soglia, poi cresce con V_GS e, in regione ohmica, con V_DS; in saturazione resta quasi costante.

Unità

A

Formula

I_D = K·(V_GS − V_th)² (saturation)

Corrente di drain massimaI_D(max)#

La corrente di drain massima I_D(max) è la massima corrente per cui il MOSFET è specificato, limitata da fili di collegamento, metallizzazione e soprattutto riscaldamento. Il valore continuo presuppone l'involucro a 25 °C, quindi in pratica la corrente utilizzabile è minore e cala con la temperatura. Impulsi brevi possono essere più volte maggiori. Nel simulatore la corrente di drain è limitata a questo valore, ed è così che appare il tetto di corrente di un dispositivo reale.

↑ Aumentandolo: Il MOSFET regge carichi più pesanti prima di raggiungere il limite di corrente, ma un dispositivo più grande di solito costa di più.

Unità

A

Corrente di eccitazioneI_f#

La corrente di eccitazione magnetizza il rotore (o il sistema di poli) di una macchina con campo avvolto. Fissa la f.e.m. generata internamente, quindi in un generatore alza la tensione ai morsetti. In una macchina sincrona governa anche la potenza reattiva: sottoeccitata la assorbe, sovraeccitata la eroga; la curva a V mostra la corrente di armatura rispetto alla corrente di eccitazione.

↑ Aumentandolo: Il flusso e la f.e.m. interna crescono: la tensione del generatore sale e il motore sincrono passa verso reattiva in anticipo.

Unità

A

Corrente di faseI_ph#

Corrente in un avvolgimento (fase) dello statore; segue la coppia e determina le perdite nel rame e il dimensionamento dell'azionamento.

↑ Aumentandolo: Più coppia di carico o un fattore di potenza minore la alzano; la perdita nel rame cresce col quadrato, quindi l'avvolgimento scalda più della corrente.

Unità

A

Formula

I_ph = P / (√3·V_LL·cosφ) (three-phase)

Corrente di ginocchioI_ZK#

La corrente di ginocchio I_ZK è la minima corrente Zener alla quale la regione di breakdown è ancora netta. Sotto di essa la curva V-I si arrotonda, la resistenza dinamica cresce e la tensione di uscita scende sotto V_Z. In un regolatore in parallelo la corrente nel diodo è (V_{alimentazione} − V_Z) / R_s − I_carico, quindi il resistore in serie va scelto in modo che resti sopra I_ZK anche con la tensione minima e la massima corrente di carico.

↑ Aumentandolo: Lo Zener regola solo da una corrente maggiore, quindi il resistore in serie deve lasciar passare più corrente e si spreca più potenza.

Unità

mA

Tipico

0.1–5 mA

Corrente di saturazioneI_S#

La corrente di saturazione I_S è il fattore di scala dell'equazione di Shockley I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1) e, per una forte tensione negativa, la minuscola corrente inversa del diodo ideale. Per una data corrente diretta la tensione è V = nV_T·ln(I / I_S), quindi un I_S maggiore significa una tensione diretta minore. Dipende dal semiconduttore e dall'area della giunzione e raddoppia circa ogni 5-10 °C di aumento di temperatura, per questo la tensione diretta cala di circa 2 mV per kelvin.

↑ Aumentandolo: La curva diretta si sposta verso tensioni minori, il diodo si accende prima e anche la dispersione inversa è maggiore.

Unità

A

Tipico

1 pA–1 µA

Corrente diretta massimaI_F(max)#

La corrente diretta massima I_F(max) è la massima corrente continua alla quale la temperatura di giunzione resta nel suo limite. Il calore nel diodo è soprattutto V_F · I_F, quindi il limite dipende dalla resistenza termica e dalla temperatura ambiente. Impulsi brevi possono superarla, secondo un valore di sovracorrente a parte. Un diodo di segnale ammette da decine a centinaia di milliampere, un LED tipico da 5 mm da 20 a 30 mA e un raddrizzatore di potenza diversi ampere.

↑ Aumentandolo: Il diodo può portare più corrente continua, quindi è ammesso un resistore in serie minore prima del surriscaldamento.

Unità

A

Corrente nominaleI_n#

La corrente nominale è la corrente di linea a tensione, frequenza e carico nominali e determina il riscaldamento degli avvolgimenti. La corrente di avviamento diretto di un motore asincrono è di norma da cinque a otto volte maggiore, motivo per cui esistono gli avviatori. Le protezioni si scelgono in relazione a questo valore.

↑ Aumentandolo: È ammesso più carico continuo e l'avviso di sovraccarico scatta più tardi.

Unità

A

Corrente secondariaI₂#

Corrente che il carico assorbe dall'avvolgimento secondario; viene riportata al primario divisa per il rapporto spire.

↑ Aumentandolo: Una resistenza di carico minore assorbe più corrente, aumentando corrente primaria, perdite nel rame e caduta di tensione negli avvolgimenti.

Unità

A

Formula

I₂ = V₂ / R_load

Correnti degli assi d-qi_d, i_q#

La corrente di statore scomposta, nel riferimento rotante del rotore, in una parte sull'asse d che crea il flusso e una sull'asse q che produce la coppia.

↑ Aumentandolo: La coppia è proporzionale al prodotto i_d·i_q, quindi a corrente data è massima quando le due sono circa uguali (angolo di corrente 45°).

Unità

A

Formula

T = 1.5·p·(L_d − L_q)·i_d·i_q

Costante di coppiaK_t#

La costante di coppia lega corrente e coppia: T = K_t · I. Nelle macchine in corrente continua a magneti permanenti o a eccitazione separata dipende dal flusso e dall'avvolgimento, e in unità SI ha lo stesso valore numerico della costante di forza controelettromotrice K_e in V·s/rad. Un K_t alto dà più coppia con meno corrente, ma anche più f.c.e.m. e quindi una velocità a vuoto minore.

↑ Aumentandolo: Ogni ampere dà più coppia, ma sale anche la f.c.e.m. e la velocità a vuoto scende.

Unità

N·m/A

Formula

T = K_t · I

Deflussaggio#

La f.c.e.m. cresce con velocità e flusso e sopra la velocità base supererebbe quanto possono dare inverter o rete. Il deflussaggio riduce il flusso (in una macchina a riluttanza o a magneti iniettando corrente d negativa) così la velocità può continuare a salire. Il prezzo è la coppia: scende circa come 1/velocità, mentre la potenza resta quasi costante.

↑ Aumentandolo: La velocità può superare quella base, ma la coppia disponibile cala circa come 1/velocità.

Densità di flusso nel nucleoB#

Flusso magnetico per unità di area del nucleo; segue la tensione, B = V / (4,44 · f · N · A), e il nucleo si satura se diventa troppo alta.

↑ Aumentandolo: Aumenta con la tensione di alimentazione e diminuisce con la frequenza; vicino alla saturazione la corrente magnetizzante schizza e il nucleo si scalda.

Unità

T

Formula

B = V / (4.44 · f · N · A)

Tipico

1.2-1.7 T in silicon-steel cores; saturation near 1.8-2 T

Duty cycle PWM#

La modulazione a larghezza di impulso commuta il bus in c.c. migliaia di volte al secondo. Il duty cycle D è la frazione di ogni periodo in cui l'interruttore è chiuso, per cui la tensione media è D per la tensione del bus. L'induttanza del motore livella la corrente, che risponde alla media e non ai singoli impulsi. Al 100 % il motore vede tutta la tensione del bus, allo 0 % nessuna.

↑ Aumentandolo: Il motore vede una tensione media maggiore, quindi velocità e coppia aumentano, e con loro la corrente.

Unità

%

Formula

V_avg = D · V_dc

Tipico

0–100 %

Eccitazione di campo#

L'eccitazione di campo indica come viene prodotto il flusso magnetico principale di un motore in c.c. Un magnete permanente dà un flusso fisso. Un campo in derivazione è in parallelo all'armatura, quindi flusso e velocità restano quasi costanti. Un campo serie porta la corrente d'armatura, perciò la coppia cresce con il quadrato della corrente e la velocità cala molto con il carico, con rischio di fuga a vuoto. Un motore composto combina i due campi. Con campo avvolto, un reostato può indebolire il flusso per aumentare la velocità.

↑ Aumentandolo: Cambiarla modifica velocità e coppia sotto carico: magneti e derivazione mantengono la velocità, i motori serie calano molto ma partono con coppia alta.

Effetto di estremità#

Il campo di un motore rotativo si richiude su se stesso, quello di un motore lineare ha un inizio e una fine. Al passaggio della piastra si creano correnti parassite sul bordo d'ingresso che non si estinguono subito, e un'onda frenante distorce il flusso e riduce spinta e rendimento. L'effetto peggiora con la velocità e con un fattore di merito piccolo; il simulatore mostra la spinta con e senza.

↑ Aumentandolo: Spinta e rendimento scendono ancora sotto il valore ideale, soprattutto a velocità più alta.

Errore di inseguimento#

Differenza tra la posizione comandata e quella reale dell'albero; il controllore agisce su di essa per pilotare il motore.

↑ Aumentandolo: Cresce con comandi più rapidi, carichi maggiori e guadagno d'anello minore; un errore piccolo indica un inseguimento preciso.

Unità

°

Formula

e = θ_cmd - θ_actual

Fattore di conduzionek_n#

Il fattore di conduzione k_n, detto anche parametro di transconduttanza, combina la mobilità degli elettroni, la capacità dell'ossido di gate per unità di area e il rapporto larghezza/lunghezza del canale W / L: k_n = µ_n · C_ox · W / L. In saturazione il simulatore usa I_D = ½ · k_n · (V_GS − V_th)², quindi raddoppiare k_n raddoppia la corrente. Un canale largo e corto dà un k_n grande, per questo i MOSFET di potenza sono formati da migliaia di celle in parallelo.

↑ Aumentandolo: La corrente di drain a pari sovrapilotaggio cresce in proporzione e il MOSFET diventa un interruttore più forte e a minor resistenza.

Unità

A/V²

Formula

I_D = ½·k_n·(V_GS − V_th)²

Fattore di idealitàn#

Il fattore di idealità n compare nell'equazione di Shockley I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1), con V_T ≈ 26 mV a temperatura ambiente. È vicino a 1 quando domina la diffusione, come in molte giunzioni al silicio a corrente moderata, e si avvicina a 2 quando domina la ricombinazione nella zona di svuotamento, di solito a bassa corrente. Diodi e LED reali stanno spesso tra 1 e 2. Un n maggiore allunga l'esponenziale: ogni aumento di dieci volte della corrente richiede n volte 60 mV invece di 60 mV.

↑ Aumentandolo: La curva diretta diventa meno ripida: serve più tensione per la stessa corrente e il diodo sembra accendersi più tardi.

Formula

I = I_S·(e^{V / nV_T} − 1)

Tipico

1–2

Fattore di meritoG#

Il fattore di merito G, introdotto da Laithwaite, combina frequenza, passo polare, traferro e conducibilità e spessore della piastra di reazione. Un G alto significa campo magnetizzante forte, poche perdite di scorrimento e buon rendimento; un G piccolo dà una macchina debole e dissipativa. Poiché il passo polare compare al quadrato, le macchine a passo lungo sono migliori per natura.

↑ Aumentandolo: Il motore si accoppia meglio alla piastra: migliorano spinta, rendimento e velocità massima.

Formula

G = 2 μ₀ σ d f τ² / (π g)

Fattore di potenzacos φ#

Il fattore di potenza è la potenza attiva divisa per la potenza apparente. Un valore inferiore a uno significa che parte della corrente magnetizza soltanto la macchina e oscilla senza compiere lavoro, caricando la rete. I motori asincroni lavorano in ritardo di fase, peggio a basso carico; le macchine sincrone sovreccitate possono lavorare in anticipo.

↑ Aumentandolo: Si spreca meno corrente reattiva e la rete porta meno corrente a parità di potenza attiva.

Formula

PF = P / S

Tipico

0–1

Fattore di potenza del caricocos φ_load#

Il fattore di potenza del carico indica quanta parte della corrente è reattiva. Un carico induttivo (in ritardo), come i motori, assorbe dal generatore potenza reattiva induttiva e, per la reazione d'indotto smagnetizzante, fa calare la tensione ai morsetti molto più di uno resistivo, quindi per mantenerla va aumentata l'eccitazione. Un carico capacitivo (in anticipo) fa il contrario e può persino portare la tensione sopra il valore a vuoto. Perciò la regolazione di tensione di un generatore sincrono dipende dal fattore di potenza quanto dalla corrente di carico.

↑ Aumentandolo: Un fattore di potenza più vicino a 1 significa meno corrente reattiva: la tensione cala meno e serve meno eccitazione per mantenerla.

Tipico

0.8–1

Fattore di potenza nominalecos φ_n#

Il fattore di potenza nominale lega la potenza apparente alla potenza attiva di targa, P_n = S_n · cos φ_n. I generatori sincroni sono di solito dimensionati con 0,8–0,95 in ritardo, perché le reti e i loro carichi sono per lo più induttivi e richiedono potenza reattiva. Un fattore di potenza nominale più basso significa una macchina più grande, con un avvolgimento di campo più forte, a parità di potenza attiva.

↑ Aumentandolo: La potenza attiva nominale sale a parità di kVA, mentre scende la potenza reattiva che la macchina è progettata per fornire.

Tipico

0.8–0.95

FEM di eccitazioneE_f#

Tensione indotta negli avvolgimenti d'indotto dal flusso di campo rotante; è la tensione interna della sorgente dietro l'impedenza propria.

↑ Aumentandolo: Cresce con corrente di campo e velocità. Il suo valore rispetto alla tensione ai morsetti fissa la reattiva e, con l'angolo di carico, l'attiva.

Unità

V

Formula

E_f = k·Φ_f·n

Forza contrariaF_load#

La forza resistente è la resistenza costante che la spinta deve vincere prima che il veicolo acceleri: attrito di rotolamento, una pendenza (m · g · sin α) o un carico trainato. Il veicolo raggiunge una velocità stabile in cui la spinta eguaglia questa forza e, se la forza resistente supera la spinta a veicolo fermo, non si muove affatto. Poiché la spinta di un motore a induzione scende verso zero vicino alla velocità di sincronismo, una forza resistente maggiore significa più scorrimento a regime e più perdite nella piastra.

↑ Aumentandolo: La forza netta che accelera il veicolo cala: accelera più lentamente e si assesta a velocità minore, con più scorrimento, dove la spinta eguaglia il carico.

Unità

N

Forza controelettromotriceE#

Ogni motore è anche un generatore: il suo campo rotante induce negli avvolgimenti una tensione che si oppone all'alimentazione. Questa forza controelettromotrice è proporzionale alla velocità, E = K_e · ω, quindi la corrente è I = (V - E) / R e diminuisce mentre il motore accelera. A vuoto la velocità cresce finché la f.c.e.m. eguaglia quasi la tensione di alimentazione.

↑ Aumentandolo: Resta meno tensione per spingere corrente: il motore assorbe meno corrente e la sua coppia cala.

Unità

V

Formula

E = K_e · ω

Forza normaleF_n#

La forza perpendicolare al moto che attira il primario verso la rotaia di reazione attraverso il traferro.

↑ Aumentandolo: Non compie lavoro utile ma carica guida e cuscinetti; è molto maggiore della spinta e cresce al ridursi del traferro.

Unità

N

Frequenza di alimentazione o di retef#

La frequenza di alimentazione f stabilisce quanto velocemente ruota il campo di statore, n_s = 120 · f / p. Nei motori a induzione e sincroni la velocità dell'albero la segue, ed è così che gli inverter controllano la velocità. Aumentare la frequenza senza alzare la tensione riduce il flusso (il rapporto V/f cala) e la coppia disponibile, mentre la reattanza dell'avvolgimento X = 2π · f · L cresce. In rete la frequenza è comune a tutte le macchine e riflette l'equilibrio tra generazione e consumo.

↑ Aumentandolo: Campo e velocità del motore salgono in proporzione, mentre la reattanza cresce e il flusso (V/f) scende se non si alza anche la tensione.

Unità

Hz

Tipico

50 / 60 Hz

Frequenza di passo#

La frequenza di passo f è il numero di impulsi al secondo che riceve il driver, e la velocità dell'albero la segue direttamente: n = 60 f / N giri al minuto per N passi per giro, quindi 1000 pps su un motore da 200 passi danno 300 giri/min. All'aumentare della frequenza la corrente ha meno tempo per crescere contro l'induttanza e la f.c.e.m. aumenta, per cui la coppia disponibile cala. Se la coppia di carico la supera, o la frequenza cambia troppo bruscamente, il rotore perde passi; per questo si accelera con una rampa.

↑ Aumentandolo: Il motore gira più veloce in proporzione, ma la coppia cala con la frequenza e oltre un limite il rotore perde passi.

Unità

pps

Formula

n = 60 · f / N

Frequenza elettricaf_e#

Frequenza delle correnti di fase e della f.c.e.m.; è pari al numero di coppie polari per la velocità meccanica in giri al secondo.

↑ Aumentandolo: Cresce in proporzione alla velocità e, con più coppie polari, la stessa velocità d'albero richiede una frequenza elettrica più alta dall'azionamento.

Unità

Hz

Formula

f_e = p · n / 60

Frequenza nominalef_n#

La frequenza nominale è la frequenza di alimentazione a cui valgono i dati di targa. Insieme al numero di poli fissa la velocità di sincronismo. Funzionare a frequenza minore con la stessa tensione aumenta il flusso e può saturare il nucleo; per questo gli inverter mantengono costante il rapporto tensione/frequenza.

↑ Aumentandolo: La velocità di sincronismo sale; a pari tensione il flusso cala e la coppia si indebolisce.

Unità

Hz

Tipico

50 or 60 Hz

Frequenza rotoricaf_r#

Frequenza delle correnti nel circuito rotorico, pari allo scorrimento per la frequenza di rete; è zero alla velocità sincrona.

↑ Aumentandolo: Cresce con la distanza dalla velocità sincrona. In un generatore doppiamente alimentato il convertitore deve fornire al rotore esattamente questa frequenza.

Unità

Hz

Formula

f_r = s · f

Gradini di avviamento#

Un reostato di avviamento rotorico divide la resistenza esterna in più gradini. Ogni gradino viene cortocircuitato dopo un tempo prefissato, il che riduce la resistenza rotorica e porta il punto di lavoro su un'altra curva coppia-velocità. Con pochi gradini ogni commutazione provoca un salto visibile di coppia e corrente; con molti l'avviamento si avvicina a un'accelerazione dolce e continua. Il tempo per gradino stabilisce quanto ogni resistenza resta inserita.

↑ Aumentandolo: La resistenza viene esclusa a gradini più piccoli, quindi coppia e corrente variano più dolcemente a ogni commutazione.

Gradino di carico#

Un gradino di carico cambia di colpo la coppia resistente di una percentuale della coppia nominale mentre la simulazione è in corso. Mostra la risposta dinamica: la velocità cala e la corrente sale di scatto, poi entrambe si assestano sul nuovo punto di lavoro dopo un tempo stabilito dall'inerzia e dalla pendenza della curva coppia-velocità. Se il nuovo carico supera la coppia massima, il motore non si riprende e la velocità crolla.

↑ Aumentandolo: La variazione improvvisa di velocità e corrente è maggiore; il motore si assesta su un nuovo punto di lavoro o si blocca se il gradino supera la coppia massima.

Unità

%

Guadagno dell'anello di posizioneK_p#

In un servo, l'anello di posizione trasforma l'errore di posizione, cioè la differenza tra obiettivo e lettura dell'encoder, in un comando di velocità: più alto è il guadagno, più velocità si chiede per lo stesso errore. Il guadagno fissa approssimativamente la banda dell'anello e l'errore di inseguimento a velocità costante è la velocità divisa per il guadagno. Aumentare il guadagno irrigidisce l'asse e riduce l'errore, ma i ritardi dell'anello di velocità e della meccanica finiscono per causare sovraelongazione e oscillazioni.

↑ Aumentandolo: L'asse risponde più in fretta e segue meglio il comando, ma con troppo guadagno sovraelonga e oscilla.

Inerzia del caricoJ_load#

L'inerzia del carico è espressa come multiplo dell'inerzia del rotore stesso J_motor. L'accelerazione è α = (T_motor − T_carico) / (J_motor + J_carico), quindi un'inerzia grande, come un volano o un grosso ventilatore, rende lento l'avviamento ma smorza anche le variazioni di velocità. L'energia cinetica accumulata, ½ · J · ω², viene in gran parte dissipata come calore nel rotore durante l'avviamento, perciò un'inerzia molto alta può surriscaldare il motore anche con un carico a regime piccolo.

↑ Aumentandolo: L'avviamento dura di più e la velocità reagisce più lentamente al carico; la corrente di spunto dura di più e l'avvolgimento si scalda di più.

Unità

× J_motor

Intensità luminosaI_v#

Luminosità del LED in una data direzione; è circa proporzionale alla corrente diretta e qui è mostrata come percentuale del valore nominale.

↑ Aumentandolo: Più corrente diretta rende il LED più luminoso, finché riscaldamento e limite di corrente lo frenano; una giunzione più calda emette un po' meno luce.

Unità

mcd

Interruttore#

L'interruttore del generatore collega la macchina alla rete e può scollegarla di nuovo, anche in caso di guasto. Chiuderlo con tensioni, frequenze o angoli di fase diversi provoca una forte corrente di compensazione tra macchina e rete e un urto di coppia sull'albero. Per questo si chiude solo quando il sincronoscopio mostra il generatore in fase con la rete. Subito dopo la chiusura il generatore galleggia sulla rete, erogando quasi nessuna potenza finché non si aumenta quella della turbina.

↑ Aumentandolo: Chiuderlo collega il generatore alla rete: con buona corrispondenza assume il carico dolcemente, altrimenti causa un picco di corrente e un urto meccanico.

Larghezza del pacco#

La larghezza del pacco è la larghezza del nucleo laminato di statore, misurata trasversalmente alla direzione di marcia. L'area dello statore rivolta verso la piastra di reazione è questa larghezza per la lunghezza dello statore, perciò spinta e potenza scalano circa con essa mentre la velocità non cambia. Un pacco più largo dà più forza con lo stesso passo polare e la stessa frequenza, a costo di più ferro, rame e peso, e la piastra deve essere almeno altrettanto larga per evitare effetti di bordo trasversali.

↑ Aumentandolo: La spinta cresce quasi in proporzione alla larghezza, e così la corrente magnetizzante e la potenza assorbita a parità di tensione.

Unità

mm

Limite di stabilitàP_max#

Massima potenza che una macchina sincrona può scambiare con la rete (angolo di carico 90°); il margine indica quanto il punto di lavoro ne è lontano.

↑ Aumentandolo: Più eccitazione alza limite e margine; un carico maggiore riduce il margine e spinge l'angolo di carico verso 90°, dove si perde il sincronismo.

Unità

W

Formula

margin = (P_max - P) / P_max

Lunghezza della pista#

La lunghezza del binario è la distanza lungo cui sono installate le sezioni di statore, quindi la spinta agisce solo su di essa. Il simulatore indica il tempo per raggiungere la fine del binario e la velocità lì. Su un binario corto il veicolo esce con la velocità guadagnata, v = √(2 · a · L) con accelerazione costante; su uno lungo si avvicina alla velocità stabile in cui la spinta eguaglia la forza contraria, inferiore a quella di sincronismo.

↑ Aumentandolo: Il veicolo ha più spazio per accelerare: la velocità a fine binario è maggiore, ma la corsa dura di più.

Unità

m

Magnetismo residuo#

Il ferro ferromagnetico conserva un po' di magnetizzazione dopo l'interruzione della corrente di campo, di solito pochi punti percentuali del flusso nominale. Facendo ruotare l'indotto in questo flusso si induce una piccola f.e.m., punto di partenza dell'autoeccitazione di un generatore in derivazione. Se il ferro ha perso la remanenza, ad esempio dopo una smagnetizzazione, il generatore non si avvia finché il campo non viene rieccitato da una sorgente c.c. esterna.

↑ Aumentandolo: Un flusso residuo maggiore dà una tensione iniziale più alta, quindi il generatore si autoeccita più facilmente.

Massa del veicolom#

La massa del veicolo m è la massa totale che il motore deve accelerare, carico compreso. La seconda legge di Newton dà l'accelerazione a = (spinta − forza resistente) / m, quindi un veicolo pesante accelera lentamente e richiede un binario più lungo per raggiungere la stessa velocità. La massa non cambia la spinta del motore, che dipende da campo e scorrimento; stabilisce solo quanto tempo serve per arrivare alla velocità stabile.

↑ Aumentandolo: L'accelerazione cala (a = F / m), quindi il veicolo richiede più tempo e più binario per raggiungere una data velocità.

Unità

kg

Massima potenza dissipataP_D(max)#

La massima potenza dissipata P_D(max) è il calore che il dispositivo può cedere all'ambiente senza che la giunzione superi il suo limite di temperatura, di solito 150 °C. Deriva da P_D(max) = (T_j(max) − T_a) / R_th, quindi è data a una precisa temperatura ambiente e va ridotta quando questa sale. In uno Zener la potenza dissipata è V_Z · I_Z, che fissa la massima corrente ammessa; in un MOSFET è I_D² · R_DS(on) più le perdite di commutazione.

↑ Aumentandolo: Il dispositivo regge più calore, quindi sono ammessi una corrente o una caduta di tensione maggiori prima del surriscaldamento.

Unità

W

Materiale della piastra di reazione#

La piastra di reazione è il conduttore in cui il campo traslante induce correnti parassite; la loro interazione con il campo produce la spinta. L'alluminio (circa 35 MS/m) è leggero, economico e la scelta abituale, mentre il rame (circa 58 MS/m) conduce circa 1,6 volte meglio. Una conducibilità maggiore aumenta il fattore di merito, perciò lo stesso statore dà più spinta con scorrimento minore, a prezzo di costo e peso superiori.

↑ Aumentandolo: Il rame al posto dell'alluminio conduce circa 1,6 volte meglio, il che aumenta fattore di merito, spinta e rendimento.

Metodo di avviamento#

L'avviamento diretto applica subito la tensione piena: il motore assorbe da cinque a otto volte la corrente nominale, ma sviluppa tutta la coppia di spunto. Stella-triangolo, autotrasformatore e soft starter partono a tensione ridotta, il che abbassa la corrente di spunto; poiché la coppia scende con il quadrato della tensione, diminuisce anche la coppia di avviamento. Un inverter evita il compromesso alzando insieme tensione e frequenza, e ottiene così buona coppia con poca corrente.

↑ Aumentandolo: Passare dall'avviamento diretto a un metodo a tensione ridotta riduce la corrente di spunto, ma anche la coppia di avviamento.

Modo di funzionamento#

In funzionamento in isola il generatore alimenta da solo gli utilizzatori: il carico decide la potenza, il regolatore di velocità mantiene la frequenza e l'eccitazione la tensione. In parallelo il generatore è collegato a una rete così grande da imporre tensione e frequenza. La potenza della turbina fissa allora la potenza attiva erogata e l'eccitazione quella reattiva. Per passare dall'una all'altra, il generatore va prima sincronizzato con la rete.

↑ Aumentandolo: Passando da isola a rete, tensione e frequenza sono imposte dalla rete; la potenza è fissata da turbina ed eccitazione, non più dal carico.

MTPA (coppia massima per ampere)#

La coppia massima per ampere ripartisce la corrente statorica in una parte di flusso (i_d) e una di coppia (i_q) in modo da avere la massima coppia per la corrente assorbita. In una macchina sincrona a riluttanza significa un angolo di corrente vicino a 45° dall'asse d. Minimizza perdite nel rame e taglia dell'inverter sotto la velocità base; sopra interviene il deflussaggio.

↑ Aumentandolo: Attivandola l'azionamento sceglie il miglior angolo di corrente e la coppia per ampere è massima.

Formula

i_d = i_q (45°)

Numero di poli#

Il numero di poli è la quantità di poli nord e sud creati dall'avvolgimento statorico, sempre pari. Insieme alla frequenza di alimentazione fissa la velocità di sincronismo. Più poli danno meno velocità e, a parità di potenza, più coppia; per questo le macchine lente, come i generatori eolici, hanno molti poli.

↑ Aumentandolo: Il campo gira più lentamente: la velocità scende e la coppia a pari potenza sale.

Tipico

2–12

Ondulazione di coppia#

L'ondulazione di coppia è la differenza tra la coppia istantanea massima e minima, rispetto al valore medio. In un motore a riluttanza commutata deriva dalla commutazione da una fase all'altra; in un motore universale alimentato in c.a. monofase, dalla potenza che pulsa al doppio della frequenza di rete. Un'ondulazione alta eccita risonanze meccaniche e rumore udibile e rende più difficile un controllo di velocità regolare.

↑ Aumentandolo: Vibrazioni, rumore e fluttuazioni di velocità aumentano sensibilmente.

Unità

%

Passo polareτ#

Il passo polare τ è la distanza tra i centri di due poli adiacenti lungo lo statore. Il campo magnetico percorre il motore alla velocità di sincronismo v_s = 2 · τ · f, quindi a una data frequenza un passo maggiore significa campo e veicolo più veloci. Poiché il fattore di merito è proporzionale a τ², un passo lungo accoppia bene anche il campo alla piastra, mentre un passo corto si adatta ad applicazioni lente e a corsa breve.

↑ Aumentandolo: La velocità di sincronismo sale in proporzione (v_s = 2 · τ · f) e il fattore di merito cresce con τ², ma lo statore si allunga.

Unità

mm

Tipico

30–400 mm

Polarità#

La polarità indica quale dei due morsetti di alimentazione è positivo. La coppia di un motore in c.c. dipende dal prodotto tra flusso di campo e corrente di armatura, quindi invertire la corrente di armatura mantenendo il campo inverte coppia e rotazione. Qui l'interruttore rappresenta l'inversione del collegamento di armatura; in una macchina reale a derivazione o serie, scambiare solo i cavi di alimentazione inverte campo e armatura insieme e il verso non cambia.

↑ Aumentandolo: Cambiare la polarità inverte il verso di rotazione e della coppia; il modulo della velocità resta lo stesso.

Polarità del campo in derivazione#

Un generatore in derivazione si innesca solo se la corrente di campo produce un flusso concorde con quello residuo, così ogni aumento di tensione rafforza il flusso. Se l'avvolgimento derivato è collegato al contrario, la corrente di campo si oppone al flusso residuo e il generatore perde persino quella piccola tensione. Il rimedio usuale è invertire i capi del campo o rieccitarlo con una sorgente c.c. nel verso corretto.

↑ Aumentandolo: Invertire la polarità in modo che il campo si opponga al flusso residuo lo annulla, e la tensione crolla invece di innescarsi.

Poli di statore/rotore#

Un motore a riluttanza commutata ha poli salienti sia sullo statore sia sul rotore, e i due numeri si scrivono statore/rotore, ad esempio 6/4. Lo statore ha due poli per fase, quindi 6/4 è una macchina trifase e 8/6 una a quattro fasi. Il rotore ha meno poli dello statore, perciò solo alcuni poli rotorici sono allineati alla volta e le fasi si alternano. L'angolo di passo è 360° diviso per il numero di fasi per i poli del rotore: 30° per 6/4 e 15° per 8/6. Più fasi e poli danno una coppia più regolare, ma richiedono più elettronica di potenza.

↑ Aumentandolo: Scegliere una combinazione maggiore (ad esempio 8/6 invece di 6/4) aggiunge una fase e riduce l'angolo di passo: coppia più regolare, con più interruttori.

Potenza apparente nominaleS_n#

La potenza apparente S è il prodotto di tensione e corrente, S = √3 · U · I in trifase e S = U · I in monofase, e si misura in voltampere. Generatori e trasformatori sono dimensionati in kVA e non in kW perché il loro riscaldamento dipende dalla corrente e non dal fattore di potenza del carico. La potenza attiva disponibile è P = S · cos φ, il resto è potenza reattiva.

↑ Aumentandolo: La macchina o il trasformatore può portare più corrente alla tensione nominale e quindi fornire più potenza attiva e reattiva prima di surriscaldarsi.

Unità

kVA

Formula

S_n = √3 · U_n · I_n

Potenza attivaP#

La potenza reale che compie lavoro utile o viene ceduta alla rete, in watt; è la parte della potenza apparente in fase con la tensione.

↑ Aumentandolo: Cresce con il carico o con la potenza all'albero; un fattore di potenza minore richiede più corrente a parità di potenza attiva.

Unità

W

Formula

P = V·I·cosφ

Potenza del convertitore#

In un DFIG lo statore è collegato direttamente alla rete e solo il circuito rotorico passa dal convertitore back-to-back. Il rotore porta soltanto la potenza di scorrimento, pari circa allo scorrimento per la potenza statorica. Un convertitore del 25–35 % della potenza nominale consente quindi un intervallo di velocità di circa ±30 % attorno al sincronismo. È il principale vantaggio del DFIG rispetto a una macchina con convertitore totale, che deve far passare tutta la potenza dal convertitore.

↑ Aumentandolo: Un convertitore più grande gestisce più potenza di scorrimento e amplia l'intervallo di velocità attorno al sincronismo, ma costa di più.

Unità

%

Tipico

25–35 %

Potenza della turbina#

La turbina converte l'energia di vapore, acqua, gas o vento in potenza meccanica all'albero. Al netto delle perdite, è la potenza attiva che il generatore può inviare alla rete o al carico. Se la potenza della turbina supera quella elettrica assorbita, l'eccesso accelera il rotore; se è inferiore, il rotore rallenta. Collegato a una rete rigida, la velocità è imposta dalla rete, quindi più potenza di turbina si traduce in un angolo di carico maggiore e più potenza erogata.

↑ Aumentandolo: All'albero arriva più potenza meccanica: in rete il generatore eroga più potenza attiva; in isola accelera se il carico non cresce.

Unità

kW

Potenza di scorrimentoP_s#

La frazione s della potenza al traferro che passa al circuito rotorico come potenza elettrica a frequenza di scorrimento anziché potenza all'albero.

↑ Aumentandolo: Con resistore rotorico diventa calore e riduce il rendimento; un generatore doppiamente alimentato la invia alla rete tramite il convertitore.

Unità

W

Formula

P_s = s · P_airgap

Potenza dissipataP#

Potenza elettrica trasformata in calore nel componente, P = V · I; deve restare sotto quella nominale, altrimenti il componente si surriscalda.

↑ Aumentandolo: Cresce con il quadrato della corrente (o della tensione su un resistore); raddoppiare la corrente quadruplica il calore.

Unità

W

Formula

P = V · I = I² · R

Potenza in ingressoP_in#

La potenza assorbita dalla macchina: elettrica dalla rete per un motore, meccanica dal motore primo all'albero per un generatore.

↑ Aumentandolo: La potenza in ingresso cresce con il carico; ciò che non diventa uscita si perde in calore, e una differenza maggiore abbassa il rendimento.

Unità

W

Formula

P_in = V·I·cosφ (motor) or T·ω (generator)

Potenza in uscitaP_out#

La potenza utile che esce dalla macchina: elettrica ai morsetti di un generatore o meccanica all'albero di un motore.

↑ Aumentandolo: La potenza in uscita è quella in ingresso meno le perdite, quindi il rendimento è uscita su ingresso; cresce con il carico fino al valore nominale.

Unità

W

Formula

P_out = P_in − losses

Potenza massimaP_max#

La potenza massima P_max è la massima potenza che un resistore può trasformare in calore in modo continuo alla sua temperatura ambiente nominale, di solito 70 °C. La dissipazione reale è P = I² · R = V² / R e deve restare nettamente sotto il valore nominale; un margine del 50 % o più è buona pratica. Sopra la temperatura nominale la potenza ammessa va ridotta. I resistori assiali comuni sono da 1/8, 1/4, 1/2 e 1 W, e una potenza maggiore significa un corpo fisicamente più grande.

↑ Aumentandolo: Il resistore può dissipare più calore in modo continuo, quindi sopporta più corrente o tensione senza surriscaldarsi.

Unità

W

Formula

P = V · I = I² · R

Tipico

1/8, 1/4, 1/2, 1 W

Potenza nominaleP_n#

La potenza nominale è la potenza all'albero riportata in targa, garantita dal costruttore senza surriscaldamento. È potenza meccanica in uscita, non elettrica in ingresso, quindi la rete deve fornire di più per l'entità delle perdite. Lavorare a lungo oltre tale valore riduce la vita dell'isolamento.

↑ Aumentandolo: Il motore è considerato più grande: c'è più coppia disponibile e corrente e coppia nominali aumentano.

Unità

kW

Potenza reattivaQ#

Potenza che oscilla tra sorgente e campi magnetici o elettrici senza compiere lavoro; fissa il livello di tensione e carica i conduttori.

↑ Aumentandolo: Una macchina sovraeccitata eroga potenza reattiva e alza la tensione; una sottoeccitata la assorbe. Più reattiva significa più corrente e perdite.

Unità

var

Formula

Q = V·I·sinφ

Potenza reattiva statoricaQ_s#

Lo statore è collegato alla rete, ma il convertitore alimenta il rotore e controlla così la magnetizzazione della macchina. Se il rotore fornisce solo la corrente magnetizzante, lo statore non scambia potenza reattiva (fattore di potenza unitario). Regolando la componente della corrente rotorica che magnetizza la macchina, il convertitore può far erogare allo statore potenza reattiva alla rete (positiva, come un alternatore sovreccitato) o farla assorbire (negativa). Così un parco eolico può sostenere la tensione di rete senza batterie di condensatori aggiuntive, entro il limite di corrente del convertitore.

↑ Aumentandolo: La turbina eroga più potenza reattiva alla rete e ne sostiene la tensione, al prezzo di più corrente rotorica e maggior carico del convertitore.

Unità

kvar

Presa dell'autotrasformatore#

Un avviatore con autotrasformatore alimenta il motore da una presa che dà solo una frazione k della tensione di linea, di solito 50, 65 o 80 %. La corrente del motore è proporzionale a k e la coppia a k al quadrato; per il rapporto di trasformazione anche la corrente assorbita dalla rete scende con k al quadrato. Una presa al 65 % dà quindi circa il 42 % della coppia dell'avviamento diretto. A differenza dello stella-triangolo, la presa si sceglie in base al carico, al prezzo di un apparecchio più ingombrante e costoso.

↑ Aumentandolo: Il motore riceve più tensione, quindi coppia di avviamento e corrente di spunto assorbita dalla rete crescono con il quadrato della presa.

Unità

%

Tipico

50–80 %

R_DS(on)R_DS(on)#

R_DS(on) è la resistenza del canale quando il MOSFET è completamente acceso. Nella regione ohmica il dispositivo si comporta come un resistore di questo valore, quindi la caduta è I_D · R_DS(on) e il calore generato I_D² · R_DS(on). I datasheet la riportano per un V_GS e una temperatura di giunzione precisi; aumenta con la temperatura, e ciò va considerato nel dimensionamento del dissipatore.

↑ Aumentandolo: Perdite di conduzione e riscaldamento aumentano e la caduta sull'interruttore cresce con la corrente.

Unità

mΩ

Formula

P_cond = I_D² · R_DS(on)

Tipico

1–500 mΩ

Rapporto del moltiplicatore#

Il rotore di una turbina eolica gira lentamente, spesso a 10–20 rpm, mentre un generatore con statore a 50 Hz richiede circa 1000–1800 rpm. Il moltiplicatore colma la differenza con un rapporto di moltiplicazione, di solito da 1:80 a 1:120 in più stadi. Il rapporto, insieme all'intervallo di velocità del rotore, decide dove lavora il generatore rispetto alla velocità di sincronismo e quindi quanto è grande la potenza di scorrimento che passa dal convertitore. I progetti senza moltiplicatore lo evitano, ma richiedono un generatore multipolare molto grande.

↑ Aumentandolo: A parità di velocità della turbina l'albero del generatore gira più veloce; il DFIG si sposta verso il funzionamento ipersincrono (scorrimento negativo).

Unità

:1

Tipico

80–120

Rapporto di salienzaξ#

Il rapporto di salienza ξ = L_d / L_q confronta quanto facilmente il flusso attraversa l'asse d del rotore rispetto all'asse q. Il motore sincrono a riluttanza produce coppia solo da questa differenza, quindi ξ decide la densità di coppia. Limita inoltre il fattore di potenza a (ξ - 1) / (ξ + 1); per questo i progettisti aumentano ξ con barriere nel rotore.

↑ Aumentandolo: Coppia di riluttanza e limite del fattore di potenza salgono, e la stessa corrente dà più coppia.

Formula

ξ = L_d / L_q

Tipico

2–8

Rapporto di velocità in puntaλ#

Rapporto tra la velocità della punta della pala e quella del vento, λ = ωR / v; stabilisce l'efficienza con cui il rotore estrae potenza dal vento.

↑ Aumentandolo: Il coefficiente di potenza ha un picco a un λ ottimo; girare più veloce o più lento di tale ottimo, a pari vento, cattura meno potenza.

Formula

λ = ω · R / v

Tipico

6-9 at the optimum for 3-blade turbines

Rapporto spirea#

Il rapporto spire a = N₁ / N₂ confronta le spire di primario e secondario. In un trasformatore ideale le tensioni scalano con esso, V₁ / V₂ = a, le correnti in senso inverso, I₁ / I₂ = 1 / a, e la potenza resta uguale. Un'impedenza di carico vista dal primario è a² volte maggiore che al secondario, per questo i trasformatori adattano anche le impedenze. Gli abbassatori hanno a > 1, gli elevatori a < 1.

↑ Aumentandolo: Con più spire al primario che al secondario la tensione di uscita cala e la corrente di uscita sale; il contrario se il rapporto è minore di 1.

Formula

a = N₁ / N₂ = V₁ / V₂

Reattanza dell'avvolgimentoX#

La reattanza dell'avvolgimento X = 2π · f · L è l'opposizione dell'induttanza dell'avvolgimento alla corrente alternata. In un motore universale gli avvolgimenti di campo e di armatura sono in serie, quindi in c.a. la tensione di alimentazione si divide tra resistenza, reattanza e forza controelettromotrice. Una reattanza maggiore riduce corrente e coppia a una data tensione e porta la corrente in ritardo rispetto alla tensione, abbassando il fattore di potenza. In c.c. l'induttanza non ha effetto a regime, perciò un motore universale gira più veloce in c.c. che in c.a. alla stessa tensione.

↑ Aumentandolo: La corrente alternata cala e il fattore di potenza scende, perché più tensione cade sull'induttanza; in c.c. la reattanza non ha effetto.

Unità

Ω

Regolazione di tensioneVR#

Quanto cala la tensione ai morsetti dal funzionamento a vuoto al pieno carico, in percentuale della tensione a pieno carico; meno è una sorgente più rigida.

↑ Aumentandolo: Più carico aumenta la caduta su resistenza d'armatura o reattanza sincrona e peggiora la regolazione; un fattore di potenza in ritardo la peggiora ancora.

Unità

%

Formula

VR = (V_nl - V_fl) / V_fl × 100

Tipico

2-10 % for most generators

Rendimentoη#

Il rendimento è il rapporto tra potenza utile in uscita e potenza in ingresso. La differenza si perde come perdite nel rame (I²R), nel ferro (isteresi e correnti parassite), attrito meccanico e ventilazione. I motori rendono meglio vicino al carico nominale e nettamente peggio a basso carico, quindi un motore sovradimensionato spreca energia.

↑ Aumentandolo: Più potenza in ingresso arriva all'albero, si genera meno calore e la macchina lavora più fredda.

Unità

%

Formula

η = P_out / P_in

Tipico

70–96 %

Reostato di campo#

Il reostato di campo è una resistenza variabile in serie all'avvolgimento di campo derivato. Aumentandola calano la corrente di campo e il flusso, quindi la f.e.m. generata diminuisce e un motore in derivazione deve girare più veloce per produrre la stessa f.c.e.m. In un generatore autoeccitato la resistenza totale di campo deve inoltre restare sotto il valore critico, altrimenti la tensione crolla al livello residuo.

↑ Aumentandolo: Flusso e f.e.m. calano: la tensione del generatore scende (e può non innescarsi), mentre un motore in derivazione accelera.

Unità

%

ResistenzaR#

La resistenza R è il rapporto tra la tensione ai capi di un componente e la corrente che lo attraversa, R = V / I (legge di Ohm), misurata in ohm. In un resistore nasce dagli urti dei portatori di carica con il reticolo e trasforma energia elettrica in calore: P = I² · R = V² / R. Dipende da materiale, lunghezza e sezione come R = ρ · l / A e cambia un po' con la temperatura. I valori comuni vanno da frazioni di ohm a vari megaohm.

↑ Aumentandolo: A pari tensione la corrente cala, mentre la tensione sul resistore e la potenza dissipata a una data corrente aumentano.

Unità

Ω

Formula

R = V / I

Tipico

1 Ω–1 MΩ

Resistenza critica di campoR_crit#

Un generatore in derivazione si autoeccita: il magnetismo residuo dà una piccola tensione, che pilota corrente di campo, la quale aumenta il flusso e la tensione. Funziona solo se la retta della resistenza di campo è meno ripida della pendenza della curva di magnetizzazione nell'origine. La resistenza critica di campo è quella in cui le due coincidono; sopra la tensione crolla al valore residuo, sotto cresce fino al punto in cui la retta incontra la curva di saturazione.

↑ Aumentandolo: L'autoeccitazione è possibile solo se la resistenza di campo reale resta sotto; un valore maggiore amplia il margine.

Unità

Ω

Resistenza dell'avvolgimentoR#

La resistenza dell'avvolgimento R è la resistenza in corrente continua di una fase, misurata con un ohmmetro, e nel rame aumenta di circa lo 0,4 % per kelvin di riscaldamento. Determina la corrente di rotore bloccato o di spunto, I = V / R, e causa la perdita nel rame I² · R che riscalda il motore. Nei piccoli motori BLDC, passo-passo e universali è spesso la perdita principale, e la caduta di tensione su di essa riduce la velocità sotto carico.

↑ Aumentandolo: La caduta I · R e la perdita nel rame I² · R aumentano: la velocità cala sotto carico, il rendimento scende e la corrente di rotore bloccato V / R è minore.

Unità

Ω

Resistenza di armaturaR_a#

La resistenza di armatura è la resistenza in corrente continua dell'avvolgimento di armatura più il contatto delle spazzole. In un motore l'alimentazione deve vincere la forza controelettromotrice più la caduta I·R_a, quindi un R_a maggiore significa maggiore calo di velocità sotto carico. In un generatore fa scendere la tensione ai morsetti al crescere della corrente, e le perdite I²R diventano calore.

↑ Aumentandolo: Si perde più tensione nell'avvolgimento: il motore rallenta di più sotto carico e si scalda di più.

Unità

Ω

Tipico

0.1–5 Ω

Resistenza di caricoR_L#

La resistenza di carico R_L è il resistore collegato all'uscita che rappresenta l'utilizzatore. Per una data tensione di uscita la corrente è I = V / R_L e la potenza P = V² / R_L, quindi un R_L minore è un carico più pesante. Una sorgente o un trasformatore reale ha resistenza interna e reattanza di dispersione, quindi un carico maggiore fa calare la tensione di uscita. La massima potenza si trasferisce quando R_L uguaglia la resistenza della sorgente, ma il rendimento è allora solo del 50 %.

↑ Aumentandolo: Il carico assorbe meno corrente e potenza, e la tensione di uscita di una sorgente o di un trasformatore reale cala meno.

Unità

Ω

Resistenza dinamicar_z#

La resistenza dinamica r_z = ΔV / ΔI è la pendenza della curva V-I nel punto di lavoro, non il rapporto V / I. Per uno Zener in breakdown va tipicamente da pochi ohm a qualche decina di ohm, quindi una variazione ΔI di corrente sposta la tensione solo di r_z · ΔI. Più è piccola, più la tensione regolata è rigida; è minima a correnti moderate sopra il ginocchio ed è il motivo per cui l'ondulazione in uscita non è mai esattamente zero.

↑ Aumentandolo: La regolazione peggiora: la stessa variazione di corrente cambia di più la tensione del diodo e passa più ondulazione.

Unità

Ω

Formula

r_z = ΔV / ΔI

Tipico

1–50 Ω

Resistenza rotorica esternaR_2,ext#

In un motore a induzione a rotore avvolto, le resistenze collegate tramite gli anelli si sommano alla resistenza rotorica R₂. Lo scorrimento a cui si ha la coppia massima è proporzionale a R₂, quindi una resistenza maggiore sposta il picco verso lo standstill e dà una coppia di avviamento elevata con corrente più bassa, mentre il valore massimo della coppia non cambia. Il prezzo è uno scorrimento maggiore a carico e potenza di scorrimento persa come calore nelle resistenze, perciò la resistenza viene esclusa man mano che il motore accelera.

↑ Aumentandolo: La coppia di avviamento sale e la corrente scende (fino alla coppia massima), ma a carico lo scorrimento cresce e le resistenze dissipano più potenza.

Unità

Ω

Resistenza serie internaR_S#

La resistenza serie interna R_S è la resistenza ohmica delle zone neutre del semiconduttore e dei contatti metallici, in serie con la giunzione ideale. A bassa corrente la caduta I · R_S è trascurabile e domina la legge esponenziale della giunzione. Ad alta corrente la caduta è grande, quindi la tensione totale è V = V_giunzione + I · R_S e la curva si avvicina a una retta di pendenza 1 / R_S. I diodi di potenza la tengono a milliohm; quelli di segnale hanno pochi ohm.

↑ Aumentandolo: Ad alta corrente aumentano caduta di tensione e riscaldamento, e la curva diretta diventa una retta più piatta e resistiva.

Unità

Ω

Risoluzione dell'encoder#

Un encoder incrementale genera un numero fisso di impulsi per giro d'albero e l'azionamento li conta per conoscere la posizione. Con la decodifica in quadratura i due canali di uscita danno quattro conteggi per impulso, quindi un encoder da 1000 ppr risolve 4000 conteggi per giro, cioè 0,09°. Una risoluzione più fine consente un posizionamento più preciso e una migliore stima della velocità a bassa velocità, dove arrivano pochi impulsi per campione, ma frequenza degli impulsi e carico di elaborazione crescono con essa.

↑ Aumentandolo: La posizione è misurata con passi più fini: migliorano precisione e retroazione a bassa velocità, ma il regolatore deve gestire più impulsi al secondo.

Unità

ppr

Tipico

1000–10000 ppr

Scorrimentos#

Lo scorrimento è la differenza tra la velocità del campo magnetico rotante e quella del rotore, divisa per la velocità del campo. Il motore asincrono ne ha bisogno: solo un rotore che resta indietro rispetto al campo ha correnti indotte e produce coppia. Vale 100 % a rotore fermo, quasi zero a vuoto e pochi punti percentuali a carico nominale.

↑ Aumentandolo: Il rotore gira più lento rispetto al campo, quindi coppia e corrente rotorica salgono fino a coprire il carico.

Unità

% / p.u.

Formula

s = (n_s - n) / n_s

Tipico

1–5 %

Scorrimento di coppia massimas_b#

Lo scorrimento a cui il motore a induzione raggiunge la coppia massima; oltre, la coppia cala man mano che il motore rallenta.

↑ Aumentandolo: È proporzionale alla resistenza rotorica: aggiungere resistenza esterna sposta il picco verso lo stallo e alza la coppia di spunto, senza cambiare il massimo.

Formula

s_b = R₂' / √(R₁² + (X₁ + X₂')²)

Senso di rotazione#

Il verso è stabilito dall'ordine in cui si eccitano gli avvolgimenti o dalla polarità dell'alimentazione. Un motore passo-passo si inverte quando si inverte la sua sequenza di fasi, un motore in c.c. a spazzole quando la tensione di armatura cambia segno e un motore a induzione monofase quando si scambia il collegamento dell'avvolgimento ausiliario, perché il solo avvolgimento principale non ha un verso preferito. Gli azionamenti trattano di solito i due versi come velocità positiva e negativa.

↑ Aumentandolo: Cambiarla fa girare l'albero in senso opposto; invertire in marcia frena prima il rotore e assorbe una corrente elevata.

Sequenza delle fasi#

La sequenza delle fasi è l'ordine in cui le tre tensioni di fase raggiungono il picco positivo: A-B-C (diretta) o A-C-B (inversa). Il campo di statore ruota dalla fase che arriva prima al picco verso la successiva, quindi scambiare due conduttori di alimentazione inverte la rotazione di un motore a induzione o sincrono. In un generatore la sequenza deve coincidere con quella della rete, insieme a tensione, frequenza e angolo di fase, prima di chiudere l'interruttore.

↑ Aumentandolo: Scambiando due fasi (da ABC ad ACB) il campo rotante si inverte e il motore gira al contrario; un generatore non è più compatibile con la rete.

Unità

ABC / ACB

Sequenza di commutazione#

Un motore in c.c. brushless non ha spazzole, quindi la commutazione la esegue elettronicamente l'azionamento. Nella commutazione a sei passi ogni ciclo elettrico è diviso in sei settori da 60°; in ciascuno l'inverter collega due delle tre fasi al bus in c.c. mentre la terza resta flottante. I sensori di Hall (o la f.c.e.m.) indicano all'azionamento in quale settore si trova il rotore, così la corrente scorre sempre nella coppia di fasi che dà più coppia. L'ordine dei sei passi fissa il senso di rotazione.

↑ Aumentandolo: Passare a un altro ordine o spostarlo rispetto al rotore riduce la coppia e aumenta l'ondulazione; invertire l'ordine inverte il senso di rotazione.

Spessore della piastra#

La piastra di reazione è dove il campo traslante induce le correnti parassite che producono la spinta. La conducibilità superficiale di una piastra sottile è la sua conducibilità per lo spessore, σ · d, e il fattore di merito le è proporzionale, quindi una piastra più spessa dà un fattore di merito maggiore e un miglior rendimento. Le piastre spesse costano e pesano di più e, oltre la profondità di penetrazione del campo, lo spessore aggiuntivo serve a poco.

↑ Aumentandolo: La piastra conduce meglio (σ · d maggiore), quindi fattore di merito, spinta e rendimento migliorano, con benefici decrescenti per piastre spesse.

Unità

mm

Tipico

3–10 mm

SpintaF#

La forza lineare che il primario esercita sulla rotaia di reazione lungo la direzione di marcia; l'equivalente della coppia in un motore lineare.

↑ Aumentandolo: La spinta è massima vicino allo stallo e cala avvicinandosi alla velocità sincrona; accelera il veicolo solo finché supera la forza di carico.

Unità

N

Formula

F = P_airgap / v_s

Spire del primarioN₁#

Il numero di spire primarie N₁ stabilisce quanto flusso serve al nucleo per una data tensione. Per la legge di Faraday il flusso di picco è Φ = V₁ / (4,44 · f · N₁) con alimentazione sinusoidale, quindi più spire significano minore densità di flusso e meno rischio di saturare il nucleo. Insieme alle spire del secondario fissa la tensione di uscita, V₂ = V₁ · N₂ / N₁. Più spire aggiungono anche resistenza del rame e induttanza di dispersione e richiedono una finestra di avvolgimento maggiore.

↑ Aumentandolo: Flusso nel nucleo e corrente magnetizzante calano a pari tensione, e la tensione di uscita scende se le spire del secondario restano invariate.

Spire del secondarioN₂#

Il numero di spire secondarie N₂ determina la tensione di uscita: con primario fisso, V₂ = V₁ · N₂ / N₁, quindi la tensione per spira è la stessa in entrambi gli avvolgimenti. Raddoppiare N₂ raddoppia la tensione di uscita a vuoto, mentre la corrente erogabile è limitata dalla sezione del conduttore, per cui un secondario ad alta tensione usa filo sottile e molte spire. Le prese sul secondario danno più tensioni di uscita da un solo avvolgimento.

↑ Aumentandolo: La tensione di uscita sale in proporzione e la corrente di uscita per una data potenza cala.

Temperatura di giunzioneT_j#

Temperatura della giunzione del semiconduttore stessa; è la temperatura ambiente più la potenza dissipata per la resistenza termica.

↑ Aumentandolo: Più potenza dissipata la alza; superare il massimo nominale riduce la vita o distrugge il componente e, in un LED, diminuisce anche la luce emessa.

Unità

°C

Formula

T_j = T_a + P · R_th

Tipico

Max 125-175 °C for silicon; LEDs typically 85-125 °C

Tempo di commutazione#

Un avviatore stella-triangolo o ad autotrasformatore fa funzionare prima il motore a tensione ridotta e poi passa alla tensione piena dopo un tempo impostato. La commutazione dovrebbe avvenire quando la velocità è vicina al valore finale: così il salto di corrente e il transitorio di coppia sono piccoli. Se avviene troppo presto compare un secondo picco di corrente elevato, quasi come nell'avviamento diretto; se si aspetta troppo, il motore può fermarsi a una velocità in cui la sua coppia a tensione ridotta eguaglia appena quella del carico.

↑ Aumentandolo: Il motore resta più a lungo a tensione ridotta e raggiunge una velocità maggiore prima del cambio, quindi il salto di corrente alla commutazione è minore.

Unità

s

Tipico

3–15 s

Tempo di rampa#

Il tempo di rampa è il tempo che un soft starter impiega per portare la tensione dal valore iniziale alla tensione piena; un inverter usa lo stesso principio per la frequenza. Una rampa lunga dà un'accelerazione dolce e meno sollecitazioni a rete e meccanica. Se è troppo lunga, il motore può non sviluppare coppia sufficiente ad accelerare nella prima parte della rampa e restare a bassa velocità con corrente alta, il che riscalda gli avvolgimenti.

↑ Aumentandolo: Tensione o frequenza salgono più lentamente: l'accelerazione è più dolce e i picchi di corrente minori, ma raggiungere la piena velocità richiede più tempo.

Unità

s

Tipico

2–30 s

Tensione ai morsettiV_t#

Tensione misurata ai morsetti della macchina, quella che il carico o la sorgente vede davvero.

↑ Aumentandolo: In un generatore scende sotto la FEM interna per resistenza e reattanza dell'avvolgimento; la reazione d'indotto indebolisce il campo.

Unità

V

Formula

V_t = E − I_a·R_a

Tensione anodo-catodoV_AK#

La tensione anodo-catodo V_AK è la tensione applicata al dispositivo e l'asse orizzontale della sua curva I-V. I valori positivi polarizzano la giunzione in diretta: la corrente è trascurabile finché V_AK non si avvicina alla tensione diretta, poi cresce esponenzialmente. I valori negativi la polarizzano in inversa: scorre solo una minima dispersione fino alla tensione di breakdown. In un circuito reale la fissano sorgente e resistore in serie, quindi la tensione del diodo raramente coincide con quella della sorgente.

↑ Aumentandolo: Passando dalla polarizzazione inversa a quella diretta, la corrente resta vicina a zero fino a circa V_F e poi sale ripidamente.

Unità

V

Tensione del bus in c.c.V_dc#

Il bus in c.c., alimentato da un raddrizzatore o da una batteria, è la sorgente da cui l'inverter ricava le tensioni di fase. La f.c.e.m. del motore cresce con la velocità e, quando si avvicina alla tensione del bus, la corrente non può più essere forzata negli avvolgimenti; perciò la tensione del bus fissa la velocità massima. Fissa anche la rapidità con cui la corrente può variare, di/dt = (V - e) / L, importante per la coppia ad alta velocità.

↑ Aumentandolo: L'inverter porta il motore a una velocità massima più alta e varia la corrente più in fretta, ma avvolgimento e interruttori sono più sollecitati.

Unità

V

Tensione di alimentazioneV#

La tensione di alimentazione è quella che la sorgente applica ai morsetti del motore. In un motore in c.c. la velocità le è circa proporzionale, n ≈ (V − I · R_a) / (K_e · Φ). In un motore a induzione in c.a. la coppia varia con V², quindi una tensione bassa riduce la coppia massima e aumenta la corrente a parità di carico, mentre la velocità resta vicina a quella di sincronismo. Lavorare ben sopra la tensione nominale satura il ferro e surriscalda l'avvolgimento.

↑ Aumentandolo: Corrente e coppia aumentano (in un motore a induzione in c.a. la coppia cresce con V²) e la velocità di un motore in c.c. sale quasi in proporzione.

Unità

V

Tensione di breakdown inversaV_BR#

La tensione di breakdown inversa V_BR è la polarizzazione inversa alla quale la corrente sale ripidamente per moltiplicazione a valanga o effetto tunnel Zener. In un normale diodo raddrizzatore è un limite di guasto: la giunzione si danneggia se la corrente non è limitata. Un diodo Zener è progettato per lavorare proprio lì, con la tensione quasi costante. I diodi raddrizzatori vanno da decine di volt a oltre mille.

↑ Aumentandolo: Il diodo sopporta una tensione inversa più alta prima di condurre molto, ed è più sicuro in circuiti a tensione maggiore.

Unità

V

Tensione di rete#

La tensione di rete è la tensione concatenata nel punto di collegamento. Una rete è così grande da mantenere questa tensione quasi invariata qualunque cosa faccia un singolo generatore. Prima di chiudere l'interruttore la tensione del generatore viene portata al suo valore con l'eccitazione; dopo, variare l'eccitazione non cambia la tensione ma solo la potenza reattiva scambiata. Nel DFIG di una turbina eolica lo statore è collegato direttamente alla rete, quindi la tensione di rete fissa anche il flusso statorico.

↑ Aumentandolo: Il generatore deve essere eccitato a una tensione maggiore prima della chiusura; con una differenza alla chiusura circola una forte corrente reattiva.

Unità

V

Tensione di sogliaV_th#

La tensione di soglia V_th è la tensione gate-source necessaria a invertire il semiconduttore sotto il gate e formare un canale conduttivo. Sotto di essa il MOSFET è in interdizione e scorre solo la dispersione. Sopra, la corrente di drain cresce con (V_GS - V_th)², quindi un maggiore sovrapilotaggio dà più corrente e minore resistenza del canale.

↑ Aumentandolo: Serve più tensione di gate per accendere il MOSFET e, a parità di tensione, la corrente di drain cala.

Unità

V

Tipico

1–4 V

Tensione di ZenerV_Z#

La tensione di Zener è la tensione inversa alla quale il diodo entra in breakdown in modo controllato e fissa la tensione ai suoi capi, specificata a una corrente di prova. Rende lo Zener un semplice regolatore in parallelo: un resistore in serie lo alimenta da una sorgente più alta e il diodo assorbe la corrente che il carico non usa. Il valore varia un poco con la temperatura e sale leggermente con la corrente per la resistenza dinamica.

↑ Aumentandolo: La tensione regolata sale al nuovo valore e serve più alimentazione per mantenere il diodo in breakdown.

Unità

V

Tipico

2.4–200 V

Tensione direttaV_F#

La tensione diretta è la caduta ai capi di un diodo o LED in conduzione. Per il silicio è circa 0,6-0,7 V, per un diodo Schottky intorno a 0,3 V, e nei LED dipende dal colore, da circa 1,8 V del rosso a oltre 3 V di blu e bianco. Essendo quasi costante, è il resistore in serie a fissare la corrente: R = (V_{alimentazione} - V_F) / I.

↑ Aumentandolo: Il diodo o LED richiede più tensione per condurre e, con stessa sorgente e resistore, scorre meno corrente.

Unità

V

Tipico

0.6–3.4 V

Tensione drain-sourceV_DS#

La tensione drain-source V_DS è la tensione sul canale e l'asse orizzontale della caratteristica di uscita. Finché V_DS è minore del sovrapilotaggio V_GS − V_th il MOSFET è in regione ohmica (lineare) e si comporta come un resistore controllato in tensione. Oltre, il canale si strozza lato drain, il dispositivo entra in saturazione e la corrente è fissata quasi solo da V_GS, ed è così che il MOSFET funziona da amplificatore. Come interruttore lo si pilota a fondo perché V_DS resti piccola.

↑ Aumentandolo: In regione ohmica la corrente di drain cresce con V_DS; quando V_DS supera V_GS − V_th satura e resta quasi costante.

Unità

V

Tensione gate-sourceV_GS#

La tensione gate-source V_GS è l'ingresso di controllo di un MOSFET. Il gate è isolato da un sottile ossido, quindi non assorbe praticamente corrente continua e si deve solo caricare la sua capacità. Sotto V_th il dispositivo è spento; sopra, il sovrapilotaggio V_GS − V_th fissa la conduttività del canale e, in saturazione, la corrente I_D = ½ · k_n · (V_GS − V_th)². L'ossido limita V_GS, di solito a circa ±20 V, e i dispositivi logic-level sono completamente accesi a 4,5-5 V.

↑ Aumentandolo: Sotto la soglia non scorre nulla; sopra il canale si apre e la corrente di drain cresce circa con il quadrato di V_GS − V_th.

Unità

V

Formula

I_D = ½·k_n·(V_GS − V_th)²

Tensione iniziale del soft start#

Un soft starter usa tiristori per applicare una tensione che sale da un valore iniziale alla tensione piena durante il tempo di rampa. La tensione iniziale deve essere abbastanza alta perché la coppia, che varia con il suo quadrato, superi la coppia di distacco del carico; se è troppo bassa, il motore ronza senza girare finché la rampa non è salita abbastanza. Se è troppo alta si perde il vantaggio, perché corrente di spunto e urto meccanico si avvicinano a quelli dell'avviamento diretto.

↑ Aumentandolo: Il motore parte con più tensione, quindi coppia di avviamento e corrente di spunto aumentano e l'avviamento è meno dolce.

Unità

%

Tipico

30–50 %

Tensione nominaleU_n#

La tensione nominale è la tensione di alimentazione alla quale la macchina raggiunge flusso, coppia e rendimento nominali. Nelle trifase è la tensione concatenata e il collegamento degli avvolgimenti (stella o triangolo) deve corrispondere. Con tensione bassa la coppia cala rapidamente; con tensione alta il ferro si satura e la macchina si scalda.

↑ Aumentandolo: Il motore è progettato per una tensione maggiore, quindi la stessa alimentazione lo sottoeccita e la coppia cala.

Unità

V

Tipico

230 / 400 / 690 V

Tensione primariaV₁#

La tensione primaria V₁ è la tensione alternata applicata all'avvolgimento primario. Quella secondaria la segue attraverso il rapporto spire, V₂ = V₁ / a. Il flusso nel nucleo è proporzionale a V₁ / f, poiché Φ = V₁ / (4,44 · f · N₁). Lavorare molto sopra la tensione nominale, o a frequenza inferiore alla nominale, porta il nucleo in saturazione, dove la corrente magnetizzante sale bruscamente e si distorce, causando riscaldamento. Per questo un trasformatore da 60 Hz non va alimentato alla piena tensione nominale da una rete a 50 Hz.

↑ Aumentandolo: La tensione di uscita sale in proporzione, ma crescono anche flusso nel nucleo e corrente magnetizzante, avvicinando il nucleo alla saturazione.

Unità

V

Tensione secondariaV₂#

Tensione che l'avvolgimento secondario fornisce al carico; a vuoto è quella primaria per il rapporto spire.

↑ Aumentandolo: Segue la tensione primaria e il rapporto spire, e cala leggermente sotto carico per resistenza e induttanza di dispersione.

Unità

V

Formula

V₂ = V₁ · N₂ / N₁

Tipo di alimentazione (c.a. / c.c.)#

Un motore universale ha gli avvolgimenti di campo e di armatura in serie, quindi invertendo la corrente si invertono entrambi i flussi e la coppia mantiene il verso. Può perciò funzionare in c.c. o in c.a. In c.a. corrente e coppia pulsano al doppio della frequenza di alimentazione, la reattanza dell'avvolgimento limita la corrente e le spazzole scintillano di più; in c.c. la coppia è costante e la velocità è maggiore a pari tensione. In c.a. un regolatore di fase, come un triac, può regolare la velocità.

↑ Aumentandolo: Passare da c.c. a c.a. aggiunge reattanza e pulsazione di coppia al doppio della frequenza di rete; a pari tensione calano velocità e fattore di potenza.

Tipo di carico#

Il tipo di carico descrive come la coppia o la forza resistente dipende dalla velocità. I carichi a coppia costante, come nastri e argani, richiedono la stessa coppia a ogni velocità; ventilatori e pompe seguono T ∝ n²; i carichi a potenza costante, come gli avvolgitori, hanno T ∝ 1/n; i carichi viscosi crescono linearmente con la velocità. La resistenza aerodinamica di un veicolo con motore lineare cresce con v². In un generatore sincrono il tipo di carico è invece elettrico: un carico induttivo (in ritardo) abbassa la tensione ai morsetti, uno capacitivo (in anticipo) può alzarla.

↑ Aumentandolo: Cambiarlo modifica come la coppia resistente segue la velocità, quindi punto di lavoro e avviamento; in un generatore cambia la regolazione di tensione.

Tolleranza#

La tolleranza è lo scostamento massimo ammesso della resistenza reale dal valore nominale, in percentuale, ed è indicata anche dall'ultima banda colorata (oro 5 %, argento 10 %, marrone 1 %). Un resistore da 1 kΩ con tolleranza del 5 % può misurare tra 950 Ω e 1050 Ω. Le tolleranze più strette costano di più e contano in partitori, filtri e circuiti di misura, mentre il resistore limitatore di un LED raramente richiede meglio del 5 %. I valori standard seguono le serie E: E12 per 10 %, E24 per 5 %, E96 per 1 %.

↑ Aumentandolo: La resistenza reale può discostarsi di più dal valore marcato, quindi correnti e tensioni del circuito sono meno prevedibili.

Unità

%

Tipico

1 %, 5 %, 10 %

Traferrog#

In un motore lineare a induzione il traferro g è la distanza tra la faccia dello statore e la piastra di reazione. È grande rispetto a un motore rotante, tipicamente da alcuni millimetri a pochi centimetri, perché il veicolo deve muoversi liberamente; per questo la corrente magnetizzante è alta e il fattore di potenza basso. Un traferro minore aumenta flusso, spinta e fattore di merito, ma richiede tolleranze meccaniche più strette.

↑ Aumentandolo: L'accoppiamento con la piastra si indebolisce: calano spinta, fattore di potenza e rendimento, e il fattore di merito diminuisce in proporzione (G ∝ 1/g).

Unità

mm

Tipico

5–20 mm

Transconduttanzag_m#

Di quanto cambia la corrente di drain per ogni volt di tensione gate-source; misura il guadagno del MOSFET come amplificatore.

↑ Aumentandolo: È zero in interdizione e cresce con la sovrapilotaggio V_GS − V_th, quindi un MOSFET più pilotato amplifica di più ma conduce anche più corrente.

Unità

S

Formula

g_m = ∂I_D / ∂V_GS

Velocità critican_crit#

Velocità minima alla quale un generatore CC autoeccitato riesce a innescare la tensione con una data resistenza di campo; sotto resta vicina a zero.

↑ Aumentandolo: Una resistenza di campo maggiore alza la velocità critica; se il motore primo gira sotto di essa, il generatore non riesce a innescarsi.

Unità

rpm

Velocità del mobilev#

Velocità del veicolo o mobile lungo la guida; resta sempre sotto quella sincrona v_s = 2 · passo polare · frequenza di alimentazione.

↑ Aumentandolo: Un passo polare maggiore o una frequenza più alta alzano la velocità sincrona e quella del veicolo; un carico maggiore aumenta lo scorrimento.

Unità

km/h

Formula

v_s = 2 · τ_p · f

Velocità del rotore#

La velocità del rotore è la velocità meccanica dell'albero, diversa da quella del campo rotante statorico, cioè la velocità di sincronismo. La loro differenza relativa è lo scorrimento. Un generatore asincrono semplice deve girare appena sopra il sincronismo, ma in un DFIG il convertitore consente al rotore di girare sia sotto (ipo-sincrono, il rotore assorbe potenza di scorrimento) sia sopra (ipersincrono, il rotore cede potenza di scorrimento alla rete). Così la turbina può seguire la velocità del vento per estrarre la massima potenza.

↑ Aumentandolo: All'aumentare della velocità lo scorrimento diminuisce; in un DFIG, oltre il sincronismo diventa negativo e il rotore cede potenza alla rete.

Unità

rpm

Velocità del vento#

La potenza del vento è ½ρAv³: cresce con il cubo della velocità, quindi raddoppiando la velocità si ottiene otto volte la potenza. La turbina ne può estrarre solo una frazione, limitata dal coefficiente di potenza, che non supera mai il limite di Betz del 59 %. Parte alla velocità di inserimento di circa 3 m/s, raggiunge la potenza nominale intorno a 11–14 m/s e viene fermata alla velocità di disinserimento di circa 25 m/s per proteggerla.

↑ Aumentandolo: La potenza disponibile cresce con il cubo della velocità, quindi la turbina produce molto di più fino a raggiungere la potenza nominale.

Unità

m/s

Formula

P = ½ ρ A v³ C_p

Tipico

3–25 m/s

Velocità del vento nominale#

La velocità del vento nominale è quella a cui la turbina eroga per la prima volta la potenza nominale, di solito 11–14 m/s. Al di sotto il rotore lavora con il miglior rendimento e la potenza segue il cubo della velocità del vento. Al di sopra, estrarre tutta la potenza disponibile sovraccaricherebbe generatore e trasmissione, quindi le pale vengono orientate fuori dal vento per mantenere la potenza al valore nominale. Una turbina progettata per una velocità nominale inferiore richiede più rotore per kilowatt e produce la potenza nominale più spesso.

↑ Aumentandolo: La turbina raggiunge la potenza nominale più tardi: sotto il nuovo valore produce meno e la piena potenza richiede vento più forte.

Unità

m/s

Tipico

11–14 m/s

Velocità della macchina motricen#

La macchina motrice, una turbina o un motore, fa girare l'albero del generatore. La f.e.m. indotta è proporzionale al flusso e alla velocità, quindi a eccitazione costante un albero più veloce dà più tensione. In un generatore sincrono anche la frequenza dipende dalla velocità secondo f = p·n / 60 (p coppie di poli), perciò un generatore isolato deve mantenere la velocità con precisione e va portato alla velocità di sincronismo prima di collegarlo alla rete.

↑ Aumentandolo: La f.e.m. cresce in proporzione alla velocità e, in un generatore in c.a., anche la frequenza.

Unità

rpm

Velocità di comando#

La velocità di comando è il valore di riferimento che l'anello di velocità dell'azionamento cerca di inseguire. Il regolatore la confronta con la velocità misurata dall'encoder e regola tensione e corrente per annullare l'errore. Il motore può seguire il comando solo finché la tensione di alimentazione supera la f.c.e.m. e la coppia necessaria resta entro il limite di corrente; oltre, la velocità reale resta indietro rispetto al comando.

↑ Aumentandolo: Il regolatore richiede più velocità e aumenta tensione e corrente finché è raggiunta o finché un limite di alimentazione o di coppia la ferma.

Unità

rpm

Velocità di sincronismon_s#

La velocità di sincronismo è la velocità con cui ruota il campo dello statore: 120 volte la frequenza diviso il numero di poli. La macchina sincrona gira esattamente a questa velocità, quella asincrona un po' sotto. Raddoppiando i poli la velocità si dimezza; per questo un motore a 4 poli a 50 Hz gira a circa 1500 giri/min.

↑ Aumentandolo: Il campo rotante e, con esso, la velocità a vuoto del motore crescono in proporzione.

Unità

rpm

Formula

n_s = 120 f / p

Tipico

3000 / 1500 / 1000 rpm (50 Hz)

Velocità nominalen_n#

La velocità nominale è la velocità all'albero quando il motore eroga la potenza nominale a tensione e frequenza nominali. In un motore asincrono è sempre inferiore a quella di sincronismo, e la differenza dà lo scorrimento nominale. Il simulatore la usa per ricavare la coppia nominale e i parametri rotorici.

↑ Aumentandolo: Lo scorrimento nominale si riduce e il motore a pieno carico si avvicina di più alla velocità di sincronismo.

Unità

rpm