Qual ruolo giocano le distorsioni armoniche nella generazione di calore nei motori?

Impatto della Distorsione Armonica sul Riscaldamento del Motore

1. Aumento delle Perdite di Rame

• Principio: In un motore, la resistenza dell'avvolgimento genera perdite di rame (perdite resistentive) alla frequenza fondamentale. Tuttavia, quando le correnti armoniche fluiscono attraverso gli avvolgimenti, l'effetto pelle diventa più pronunciato a causa delle frequenze armoniche superiori. L'effetto pelle causa la concentrazione della corrente vicino alla superficie del conduttore, riducendo l'area sezione effettiva e aumentando la resistenza, quindi aumentando le perdite di rame.

• Risultato: L'aumento delle perdite di rame porta direttamente a temperature più elevate negli avvolgimenti del motore, accelerando l'invecchiamento dei materiali isolanti e riducendo la durata del motore.

2. Aumento delle Perdite di Ferro

• Principio: Nel nucleo di ferro di un motore, le perdite di isteresi e di correnti indotte, collettivamente note come perdite di ferro, si verificano alla frequenza fondamentale. Quando le correnti armoniche passano attraverso il motore, la frequenza dei cambiamenti del campo magnetico aumenta, portando a perdite di isteresi e di correnti indotte superiori. In particolare, le armoniche ad alta frequenza aumentano significativamente le perdite di correnti indotte perché queste perdite sono proporzionali al quadrato della frequenza.

• Risultato: L'aumento delle perdite di ferro causa un aumento della temperatura del nucleo di ferro, aggravando ulteriormente il riscaldamento complessivo del motore, riducendo l'efficienza e l'affidabilità.

3. Aumento di Altre Perdite

• Principio: Oltre alle perdite di rame e di ferro, le armoniche possono causare altre forme di perdite aggiuntive. Ad esempio, le correnti armoniche possono generare forze elettromagnetiche extra tra lo statore e il rotore, causando vibrazioni meccaniche e perdite per attrito. Inoltre, le armoniche possono causare perdite meccaniche aggiuntive in componenti come cuscinetti e ventilatori.

• Risultato: Queste perdite aggiuntive aumentano ulteriormente la generazione di calore nel motore, potenzialmente portando a cuscinetti sovraccaldati, fallimento della lubrificazione e persino guasti meccanici.

4. Aumento Non Uniforme della Temperatura

• Principio: La presenza di correnti armoniche può portare a una distribuzione non uniforme del campo magnetico all'interno del motore, causando sovraccalori localizzati. Ad esempio, alcune aree degli avvolgimenti possono trasportare densità di corrente armonica superiori, risultando in regioni che raggiungono temperature molto più elevate rispetto ad altre. Questo aumento non uniforme della temperatura accelera l'invecchiamento dei materiali isolanti locali e aumenta il rischio di guasto del motore.

• Risultato: Il sovraccaloro localizzato non solo influisce sulla durata del motore ma può anche portare al cedimento dell'isolamento, causando gravi difetti elettrici.

5. Riduzione dell'Efficienza del Sistema di Raffreddamento

• Principio: Il sistema di raffreddamento di un motore (come ventilatori e dissipatori di calore) è solitamente progettato per gestire il carico termico alla frequenza fondamentale. Quando le correnti armoniche aumentano la generazione di calore del motore, la capacità del sistema di raffreddamento di dissipare questo calore extra potrebbe essere insufficiente, portando a un aumento continuo della temperatura del motore.

• Risultato: La riduzione dell'efficienza del sistema di raffreddamento aggrava ulteriormente il problema di riscaldamento del motore, creando un circolo vizioso che può ultimamente attivare i meccanismi di protezione contro il sovraccaloro o bruciare il motore.

6. Riduzione del Fattore di Potenza

• Principio: La presenza di correnti armoniche riduce il fattore di potenza del motore perché le armoniche non contribuiscono al lavoro utile ma aumentano invece il potere reattivo e il potere armonico. Un fattore di potenza inferiore significa che il motore deve attingere una corrente maggiore dalla rete per mantenere la stessa potenza di uscita, aumentando le perdite di linea e le perdite nei trasformatori, elevando ulteriormente la generazione di calore del motore.

• Risultato: La riduzione del fattore di potenza non solo aumenta la generazione di calore del motore ma riduce anche l'efficienza complessiva del sistema di alimentazione, portando a costi di energia più elevati.

Misure per Ridurre l'Impatto delle Armoniche sul Riscaldamento del Motore

Per mitigare gli effetti delle armoniche sul riscaldamento del motore, possono essere adottate le seguenti misure:

• Installare Filtri Armonici: Utilizzare filtri armonici passivi o attivi per assorbire o sopprimere le correnti armoniche nel sistema, ripristinando la forma d'onda sinusoidale della tensione della rete e riducendo l'impatto delle armoniche sul motore.

• Scegliere Motori Resistenti alle Armoniche: Alcuni motori sono specificatamente progettati per resistere meglio alle armoniche, come quelli con strutture di avvolgimento speciali o materiali di nucleo che minimizzano le perdite e il riscaldamento aggiuntivi causati dalle armoniche.

• Ottimizzare la Gestione del Carico: Organizzare i programmi di produzione per evitare di far funzionare troppi carichi non lineari contemporaneamente, riducendo così la generazione di armoniche.

• Utilizzare la Modalità a Basso Contenuto Armonico nei Variabili di Frequenza (VFD): Se il motore è alimentato da un VFD, selezionare VFD con caratteristiche a basso contenuto armonico o regolare i parametri del VFD per ridurre l'uscita armonica.

• Migliorare i Sistemi di Raffreddamento: Per i motori già affetti da armoniche, migliorare il sistema di raffreddamento (ad esempio, aumentando la potenza del ventilatore o migliorando la progettazione del dissipatore di calore) per migliorare la dissipazione del calore e prevenire il sovraccaloro.

• Manutenzione e Monitoraggio Regolari: Ispezionare regolarmente le condizioni operative del motore, monitorare i parametri come la temperatura, la corrente e il fattore di potenza, e risolvere prontamente eventuali problemi per garantire le migliori prestazioni del motore.

Riepilogo

La distorsione armonica ha un impatto significativo sul riscaldamento del motore, manifestandosi principalmente nell'aumento delle perdite di rame, di ferro, di altre perdite, nell'aumento non uniforme della temperatura, nella riduzione dell'efficienza del sistema di raffreddamento e nella riduzione del fattore di potenza. Questi fattori, insieme, portano a temperature del motore più elevate, accelerano l'invecchiamento dei materiali isolanti, riducono la durata del motore e possono causare gravi guasti elettrici e meccanici. Per ridurre l'impatto delle armoniche sul riscaldamento del motore, è essenziale implementare efficaci misure di mitigazione delle armoniche, ottimizzare la scelta e la manutenzione del motore, e garantire l'operatività stabile del sistema di alimentazione.