Che cos'è un motore sincrono a campo avvolto (eccitazione in CC)?
Principio di funzionamento
Un motore sincrono a campo avvolto ha un normale statore trifase, ma il rotore porta poli salienti con bobine di campo alimentate in corrente continua attraverso due anelli e spazzole di carbone. Lo statore genera un campo rotante a 120 × f / p giri/min e i poli eccitati del rotore si agganciano ad esso come due magneti che si attraggono. Una volta agganciato, il rotore gira esattamente alla velocità di sincronismo, qualunque sia il carico, finché questo non diventa troppo pesante e il rotore perde il passo.
L'eccitazione controlla il fattore di potenza
La corrente di campo fissa la tensione interna E_f che il rotore induce nello statore. Se E_f è minore della tensione di rete, il motore è sottoeccitato: assorbe corrente magnetizzante dalla rete e lavora con fattore di potenza in ritardo, come un motore a induzione. Aumentando la corrente di campo, la corrente statorica va in fase con la tensione (fattore di potenza unitario) e, aumentandola ancora, il motore diventa sovraeccitato e fornisce potenza reattiva alla rete. A vuoto e sovraeccitato è un compensatore sincrono che rifasa un impianto.
Angolo di carico, curve a V e coppia massima
Il carico non cambia la velocità, cambia l'angolo di carico δ tra i poli del rotore e il campo rotante. La potenza segue P = 3·V·E_f·sen δ / X_s, quindi la coppia è massima a δ = 90°: la coppia massima (pull-out). È proporzionale alla tensione di rete e alla corrente di campo, per questo una eccitazione debole o un calo di tensione fanno scorrere di poli un motore carico. Tracciando la corrente di armatura in funzione della corrente di campo a carico fisso si ottiene la curva a V: il minimo è a fattore di potenza unitario e la corrente sale da entrambi i lati.
Avviamento e applicazioni
Un motore sincrono non ha coppia netta da fermo, quindi le macchine grandi partono come motori a induzione grazie a una gabbia di smorzamento nelle espansioni polari, e il campo viene applicato vicino alla velocità piena per portare il rotore in passo. Le macchine a campo avvolto azionano grandi compressori, mulini, frantoi, pompe e gruppi motore–generatore, dove velocità costante, alto rendimento e rifasamento giustificano anelli ed eccitatrice.
Domande frequenti
- Come cambia la corrente di campo il fattore di potenza di un motore sincrono?
- A carico e tensione costanti, la componente attiva della corrente di armatura resta uguale, mentre la corrente di campo ne modifica la componente reattiva. Sotto l'eccitazione di fattore di potenza unitario il motore è sottoeccitato e in ritardo; sopra, sovraeccitato e in anticipo, e fornisce potenza reattiva. Muovi il cursore della corrente di campo e osserva fattore di potenza, potenza reattiva e curva a V.
- Che cos'è la coppia massima (pull-out) e cosa succede se viene superata?
- È il carico massimo che il rotore può portare restando agganciato al campo rotante, raggiunto con angolo di carico di 90°. Se viene superata, il rotore scorre di un passo polare, la coppia media crolla e la corrente sale di colpo, quindi il motore va scollegato. Aumentare la corrente di campo o la tensione alza il limite.
- Perché un motore sincrono gira a velocità costante con qualunque carico?
- Il rotore è agganciato al campo rotante, la cui velocità è fissata da frequenza e numero di poli (n = 120 × f / p). Più carico aumenta solo l'angolo di carico e la velocità resta esattamente di sincronismo finché non si supera il limite di pull-out.