Perdite Nel Ferro e Materiali Isolanti

Università degli Studi di Firenze Facoltà di Ingegneria

CORSO DI

MACCHINE ELETTRICHE Prof. Pietro Antonio SCARPINO

PERDITE NEI NUCLEI MAGNETICI MATERILI ISOLANTI

PERDITE NEI NUCLEI MAGNETICI Nei nuclei magnetici delle macchine elettriche si hanno perdite di potenza attiva dovute a: 1) Isteresi magnetica

PERDITE NEL FERRO

2) Correnti parassite

Entrambi i fenomeni sono legati alla variabilità nel tempo del flusso magnetico. Sono dette perdite nel ferro, in quanto i nuclei magnetici sono costituiti da leghe di ferro. Nel caso di flusso magnetico costante, tali perdite sono nulle.

PERDITE PER ISTERESI MAGNETICA Il fenomeno dell’isteresi magnetica si manifesta quando un nucleo di materiale ferromagnetico è sottoposto a magnetizzazione ciclica alternativa. Ciò si verifica, ad esempio, quando un nucleo di materiale ferromagnetico è sede di un flusso magnetico Φ variabile alternativamente nel tempo, in quanto prodotto da una corrente i variabile alternativamente nel tempo. A causa del fenomeno dell’isteresi magnetica, l’energia fornita al nucleo durante la fase di magnetizzazione non viene interamente restituita durante quella di smagnetizzazione, ma, ad ogni ciclo, rimane immagazzinata nel nucleo magnetico una quantità di energia proporzionale all’area del ciclo stesso.

PERDITE PER ISTERESI MAGNETICA La potenza persa per isteresi (= energia persa per unità di tempo) è proporzionale al numero di cicli d’isteresi descritti in un secondo. Le perdite per isteresi dipendono da: tipo di materiale, in base a cui varia la forma e la dimensione del ciclo; valore dell’induzione massima BM, all’aumentare del quale il ciclo diventa più ampio; frequenza della corrente magnetizzante f, il cui aumento determina un maggior numero di cicli descritti nell’unità di tempo.

Formula di Steinmetz:

n Pist = kist ⋅ f ⋅ BM

PERDITE PER ISTERESI MAGNETICA La formula di Steinmetz: n Pist = kist ⋅ f ⋅ BM

permette di calcolare la perdita specifica per unità di volume [W/m3] o per unità di massa [W/kg], a seconda di come viene espressa la costante kist, che dipende dal tipo di materiale. Il coefficiente n è detto esponente di Steinmetz e assume i seguenti valori: n = 1, 6

per

BM < 1 T

n=2

per

BM ≥ 1 T

Utilizzando il ferro-silicio, è possibile ridurre l’area del ciclo di isteresi e, di conseguenza, le perdite per isteresi.

PERDITE PER CORRENTI PARASSITE Le correnti indotte parassite nascono nei corpi conduttori quando: 1) il corpo conduttore è investito da flusso magnetico variabile nel tempo; 2) il corpo conduttore si muove in campi magnetici costanti. Ciò accade come conseguenza della legge di Faraday relativa al fenomeno dell’induzione magnetica: Quando un circuito elettrico si concatena con un flusso magnetico dϕ e = − variabile nel tempo, nel circuito elettrico nasce una f.e.m. indotta: dt

ϕ = NΦ

è il flusso concatenato con N spire.

Φ = BA

è il flusso magnetico, che varia: 1) quando varia B, ossia quando varia la corrente magnetizzante i; 2) quando varia A, ossia quando la spira si muove o si deforma.

PERDITE PER CORRENTI PARASSITE Se la f.e.m. indotta agisce in un circuito chiuso di resistenza R, nel circuito di ha circolazione di una corrente indotta parassita pari a e/R. Consideriamo il 1° caso: un nucleo in ferro massiccio, sede di un flusso magnetico Φ variabile nel tempo, in quanto prodotto da una corrente magnetizzante i variabile nel tempo (ad es., alternata sinusoidale). In un piccolo tronco di nucleo di altezza h e spessore δ sono presenti tanti percorsi chiusi (spire). Poiché il flusso concatenato con queste spire varia nel tempo, esse diverranno sede di f.e.m. indotte e quindi di correnti indotte parassite ip.

PERDITE PER CORRENTI PARASSITE Nel tronco di nucleo considerato si hanno tante correnti indotte parassite circolanti in modo vorticoso. Queste correnti determinano una dissipazione di energia elettrica in calore nel materiale. Più alta è la resistività del materiale ρ, più piccola risulterà l’intensità delle correnti parassite e quindi minore sarà la dissipazione di energia elettrica in calore. La formula: Pcp =

2 k 'cp ⋅ δ 2 ⋅ f 2 ⋅ BM

ρ

2 = kcp ⋅ f 2 ⋅ BM

δ = spessore nucleo

permette di calcolare la perdita specifica per unità di volume [W/m3] o per unità di massa [W/kg], a seconda di come viene espressa la costante k’cp, che dipende dal tipo di materiale.

PERDITE PER CORRENTI PARASSITE Pcp =

2 k 'cp ⋅ δ 2 ⋅ f 2 ⋅ BM

ρ

2 = kcp ⋅ f 2 ⋅ BM

Per diminuire gli effetti delle correnti parassite occorre aumentare la resistenza dei possibili percorsi che le correnti indotte trovano all’interno nel conduttore investito da flusso magnetico variabile nel tempo: suddividendo il nucleo massiccio in tante lamiere sottili, parallele alle linee di flusso (e quindi diminuendo lo spessore δ); aumentando la resistività dei materiali impiegati (ad es., utilizzando ferro silicio anziché ferro dolce: la resistività del ferro silicio è 4 volte maggiore di quella del ferro dolce).

NUCLEI MAGNETICI PER TRASFORMATORI Proprio al fine di limitare le perdite per correnti parassite, i nuclei dei trasformatori sono generalmente laminati con spessori δ = 0,35÷0,5 mm. I lamierini sono isolati tra loro: con vernici termoindurenti; facendo ossidare il ferro sulle superfici del lamierino; con carta (metodo non più usato). I lamierini possono essere: in ferro-silicio ordinari (nelle macchine rotanti e nei trasformatori di piccola potenza); in ferro-silicio speciali a cristalli orientati (in quasi tutti i trasformatori). N.B.: E’ sempre presente anche una piccola percentuale di carbonio (0,06÷0,1%).

LAMIERINI IN FERRO SILICIO L’impiego del silicio ha due vantaggi: riduce l’ampiezza del ciclo di isteresi del materiale; aumenta la resistività elettrica ρ del materiale. Quindi, l’impiego del silicio fa diminuire sia le perdite per isteresi, sia le perdite per correnti parassite. Lo svantaggio è che il silicio rende il materiale molto fragile. Pertanto, la percentuale di silicio è limitata a un massimo del 5% per i trasformatori, e a percentuali inferiori nelle macchine rotanti.

LAMIERINI IN FERRO SILICIO Le perdite nei materiali magnetici dovute a isteresi e a correnti parassite possono essere stimate attraverso le formule semi-empiriche già citate. Tuttavia, nella pratica, generalmente non sono noti i valori delle costanti kist e kcp. I produttori di materiali magnetici forniscono però un particolare valore di perdita specifica, determinato sperimentalmente, detto cifra di perdita. La cifra di perdita [W/kg] è definita come la perdita specifica, per isteresi e per correnti parassite, che si ha quando un materiale è investito da un campo magnetico alternato sinusoidale a frequenza f = 50 Hz con induzione massima fissata BM. Generalmente si fa riferimento a BM = 1 T oppure BM = 1,5 T. Se è nota la cifra di perdita P0 per B0 = 1 T, allora la perdita specifica Pfs per BM = 1,2 T è data da:

2

 BM   1, 2  Pfs = P0   = P0   B 1    0 

2

LAMIERINI IN FERRO SILICIO: CIFRA DI PERDITA La cifra di perdita [W/kg] varia a seconda del materiale e dello spessore del lamierino : δ = 0,5 mm δ = 0,35 mm ferro normale:

3,6

-

ferro all’1÷1,5% di Si:

2,2÷2,5

-

lamiera semilegata

ferro al 2÷2,5% di Si:

1,7÷2

-

lamiera legata

ferro al 3,5÷4,5% di Si:

1÷1,2

ferro al 3% di Si a cristalli orientati:

0,8÷1

lamiera extralegata

0,4÷0,5 (nella direzione della laminazione)

La cifra di perdita è generalmente riferita a lamiere nuove: nella valutazione delle perdite nel ferro si deve tenere conto di un loro aumento del 5÷10% per l’invecchiamento del materiale e per le lavorazioni meccaniche a cui i lamierini sono sottoposti durante le fasi di realizzazione dei nuclei magnetici.

LAMIERINI A CRISTALLI ORIENTATI I lamierini a cristalli orientati sono ottenuti da lamiere di alcuni millimetri di ferro silicio al 3% laminate a caldo. Queste lamiere vengono successivamente laminate a freddo e sottoposte, tra una laminazione e l’altra, ad opportuni trattamenti termici, fino a ottenere lamiere di spessore δ = 0,35 mm. Con questo procedimento, i domini magnetici (cristalli) del materiale si “organizzano” in modo da presentare proprietà magnetiche decisamente migliori, se soggetti a flussi nella direzione della cristallizzazione. La cifra di perdita è 0,4÷0,5 W/kg (con Bmax = 1 T), quando le linee di flusso sono nella direzione della laminazione. Nella direzione ortogonale al senso di laminazione, le perdite specifiche sono circa 3 volte superiori (1,5÷2 W/kg), ma comunque paragonabili a quelle dei lamierini ordinari in ferro silicio al 2÷2,5%.

LAMIERINI A CRISTALLI ORIENTATI Nei lamierini a cristalli orientati, rispetto a quelli ordinari, è più elevata la permeabilità magnetica e aumenta anche il valore massimo di induzione magnetica B che si può ottenere (valore corrispondente al “ginocchio” della curva di magnetizzazione B-H, prima di arrivare alla saturazione), sempre nel caso in cui la direzione della magnetizzazione sia quella della laminazione.

MATERIALI ISOLANTI

Caratteristiche di un materiale isolante Sollecitazioni nei materiali isolanti


sollecitazioni dielettriche con gradienti di tensione relativamente elevati
sollecitazioni termiche
sollecitazioni meccaniche cicliche dovute: • dilatazione del rame e del ferro • vibrazioni dovute alla corrente alternata o al moto delle parti in movimento • sforzi elettrodinamici di breve durata, ma molto intensi, dovuti alle sovracorrenti


deterioramento chimico reso attivo dai valori relativamente elevati della temperatura

Qualità richieste ai materiali isolanti buone qualità meccaniche ottime qualità dielettriche • elevata rigidità • basse perdite dielettriche

buone qualità termiche • buona conducibilità termica • buona resistenza al calore

• resistenza agli sforzi • sufficiente elasticità • resistenza all’abrasione • adesione al rame

buone qualità chimiche • elevata stabilità chimica • inattaccabilità dai prodotti della ionizzazione

tempo di vita elevato fabbricabilità • i materiali impiegati debbono permettere la realizzazione dell’isolamento senza eccessive difficoltà o tempi di lavorazione • debbono consentire la realizzazione dell’isolamento senza vuoti interni ed aderente al rame anche nelle parti curve

costo accettabile

Sollecitazione dielettrica e rigidità dielettrica La grandezza di tipo elettrico che sollecita un materiale isolante, definita come sollecitazione dielettrica, è il campo elettrico E [V/m]. Quando la sollecitazione dielettrica è troppo elevata provoca un danneggiamento temporaneo o permanente (dipende dal tipo di materiale) dell’isolante che compromette la funzionalità della macchina di cui l’isolante stesso è inserito. Si definisce come rigidità dielettrica Er [V/m] di un materiale il massimo valore della sollecitazione dielettrica che può essere applicata senza danneggiamenti.

Si ricorda che: • il campo elettrico in un materiale isolante dipende dalla tensione applicata V e dalla geometria del materiale: E = −∇V. • il campo elettrico è proporzionale alla tensione applicata • in un materiale omogeneo esso non dipende dalla permettività ε del materiale stesso

Dimensionamento dielettrico


Il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante consiste nel determinarne la geometria in modo che la sollecitazione dielettrica non provochi danneggiamenti; questo significa che le dimensioni e la forma del materiale debbono essere tali per cui la sollecitazione dielettrica sia inferiore alla rigidità dielettrica: E < Er .


Poiché la sollecitazione dielettrica E dipende dalla tensione applicata V, è ovvio che il dimensionamento deve essere fatto in relazione ad un ben determinato valore della tensione applicata.


Si definisce livello d’isolamento il valore della tensione applicata che determina il dimensionamento dielettrico di un materiale isolante.

Livello d’isolamento

Il livello d’isolamento di solito è superiore (spesso molto superiore) al valore della tensione nominale, e questo perché:
il dimensionamento dell’isolante deve tener conto delle sovratensioni, di lunga durata o transitorie, che possono sollecitare la macchina in particolari condizioni d’esercizio o per effetto di anomalie.
è in relazione con l’affidabilità che si intende dare all’apparecchiatura: maggiore sicurezza → livello d’isolamento più alto

Il corretto dimensionamento di un isolamento viene verificato con prove di collaudo in laboratorio applicando all’isolamento in prova le tensioni previste dal livello d’isolamento; per questo il “livello d’isolamento” indica di solito le tensioni di prova che la macchina o l’apparecchiatura deve reggere senza danneggiamenti.

Sovratensioni Le sovratensioni che possono sollecitare una macchina od una apparecchiatura elettrica sono quasi sempre trasmesse dalla linea aerea cui la macchina è collegata. Esse possono essere suddivise in due categorie:  sovratensioni di origine esterna  sovratensioni di origine interna o di manovra

Sovratensioni di origine esterna: sono sostanzialmente di origine atmosferica
fulminazione diretta
fulminazione indiretta (sovratensioni indotte in linea) Sono caratterizzate da:
livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono.
durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di µs.

Sovratensioni atmosferiche

fulminazione indiretta

fulminazione diretta

Fulminazione indiretta in prossimità di una linea in alta tensione

Fulminazione diretta in una linea ad alta tensione

Caratteristiche dielettriche di un materiale isolante

 rigidità dielettrica Er [V/m]  permettività ε = εrε0 [F/m] (ε0 = 8,86·10-12 F/m)  fattore di perdita tanδ

La rigidità dielettrica è essenzialmente un parametro aleatorio la cui determinazione, che deve essere fatta su base statistica, presenta una elevata dispersione. Essa inoltre dipende da numerosi fattori:

I V

• forma d’onda e durata della tensione applicata

V

• geometria dell’isolante e degli elettrodi • caratteristiche fisico-chimiche del materiale • presenza di impurità nel materiale (umidità, gas, residui ecc.) • sollecitazioni termiche e meccaniche applicate al materiale

I

δ

Isolamenti autoripristinanti
In teoria gli isolamenti gassosi sono autoripristinanti, nel senso che

riacquistano le loro proprietà dielettriche dopo che si sia verificata una scarica elettrica.


Questa loro proprietà deriva dal fatto che le molecole deteriorate dal processo di scarica (particelle ionizzate, alterate chimicamente, ecc.) vengono, per effetto dei moti interni del gas, rapidamente sostituite dalle molecole circostanti non alterate.


Questo processo di ripristino viene ostacolato quando il gas, in quantità limitata, è contenuto in un ambiente chiuso (cassoni di rivestimento di macchine elettriche, interruttori, blindosbarre, ecc.).


quindi l’unico isolante gassoso realmente autoripristinante è l’aria, che costituisce l’isolamento verso terra e fra le fasi, sia di bassa che di altissima tensione, delle linee aeree e delle sbarre di centrali e sottostazioni elettriche, e di alcune parti delle macchine ed apparecchiature elettriche.

Esafluoruro di zolfo SF6 F

F F

F S F

La molecola dello SF6 è fortemente elettronegativa: cattura gli elettroni liberi, rallentando la formazione delle valanghe elettroniche che sono il primo stadio del processo di scarica.

F


ha eccellenti proprietà dielettriche; la sua rigidità, in condizioni comparabili e 2,5 – 3 volte quella dell’aria. Ad esempio con campo uniforme alla distanza d = 10 mm ed alla pressione di 1 bar si ha: aria Er = 3 kV/mm ; SF6 Er = 9 kV/mm
è un ottimo agente di estinzione dell’arco elettrico, e la sua efficacia può essere valutata in 10 volte quella dell’aria

Caratteristiche dell’esafluoruro di zolfo e campi d’impiego

caratteristiche

applicazioni


ha una buona conducibilità termica ed una eccellente stabilità termica


interruttori


è inodore, incolore e non tossico e non provoca effetti fisiologici specifici (in ambienti saturi di SF6 può verificarsi una carenza di ossigeno)


blindosbarre


i sottoprodotti della sua decomposizione (in particolare l’acido fluoridrico) possono essere dannosi per le apparecchiature, per cui necessita di opportune precauzioni
poiché è utilizzato in contenitori chiusi, la scarica elettrica porta ad un deterioramento delle sue qualità dielettriche che può essere limitato con opportuni trattamenti


isolatori passanti
Trasformatori e TV capacitivi
apparecchiature elettroniche

Isolanti liquidi

Gli isolanti liquidi utilizzati nelle macchine ed apparecchiature elettriche sono essenzialmente degli oli, di diversa origine e composizione:
Oli minerali, derivati del petrolio
Idrocarburi di sintesi
Oli siliconici
Esteri organici

L’olio isolante, in unione con la carta (cellulosa pura), costituisce il sistema isolante (carta-olio) principale per apparecchiature di grande potenza ed in alta tensione, quali trasformatori, isolatori passanti, cavi, condensatori.

Qualità richieste ad un olio isolante

• • • • • • • • • • • • •

Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate. Basse perdite dielettriche. Elevata o bassa costante dielettrica. Conducibilità termica e calore specifico elevati. Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas. Bassa viscosità a bassa temperatura. Bassa volatilità ed elevato punto di accensione. Basso potere solvente e bassa densità. Buone capacità di estinzione dell’arco. Bassa attitudine a formare gas (gassing). Non infiammabile, non tossico. Basso impatto ambientale. Economico e facilmente reperibile.

Formazione di gas nell’olio per trasformatori gas che si formano: idrogeno, idrocarburi leggeri (etano, metano, etilene, acetilene), monossido e biossido di carbonio motivi per cui si formano:
guasti elettrici (cedimento degli isolamenti e conseguente scarica): in questo caso si possono avere quantitativi importanti di gas ed intervento del relé Bucholz.
ridotta compatibilità fra olio ed altri materiali (vernici isolanti e metalli possono esaltare il fenomeno).
degradazione della cellulosa (isolamenti in carta-olio) o dell’olio per effetto dell’invecchiamento
elevata idrogenazione dell’olio (l’idrogeno nell’olio viene aggiunto per aumentarne la stabilità nei confronti dei processi ossidativi) È importante verificare che l’olio nelle condizioni di esercizio abbia una ridotta capacità di formazione di gas.

L’olio isolante è comunque un materiale ad alto rischio d’incendio, per cui e necessario adottare opportune precauzioni, soprattutto quando in elevata quantità, come ad es. nei grossi trasformatori

vasca di contenimento dell’olio

Isolanti solidi Gli isolanti solidi hanno una vastissima applicazione nell’industria elettrica ed elettronica, sia in bassa che in alta tensione; nella tabella che segue sono indicate alcune di queste applicazioni:

Materiale

Applicazioni

Carta e cartoni di cellulosa

Trasformatori, condensatori, TV, TA, isolatori passanti (*)

Gomme naturali e sintetiche

Cavi, macchine elettriche

Materiali polimerici (film sottili, Macchine rotanti, trasformatori, pressofusioni, materiali estrusi, resine, apparecchiature elettroniche, accessori vernici, smalti)

cavi,

Materiali impregnati

Macchine elettriche, condensatori

Materiali inorganici (mica)

Macchine rotanti

Porcellane

Isolatori portanti, isolamento esterno di passanti, TV, TA, interruttori ecc

Vetro

Isolatori per linee aeree

(*) - La carta di cellulosa viene di solito utilizzata impregnata con l’olio isolante; il sistema composito carta-olio [vedi “Sistemi isolanti”] è l’isolamento utilizzato per le apparecchiature in alta ed altissima tensione (trasformatori, cavi, ecc.)

Caratteristiche dielettriche
hanno una rigidità elettrica molto elevata, fino ad oltre 200 kV/mm, il che permette di ridurre le dimensioni del sistema isolante


hanno una permettività compresa fra 1,5 ÷ 2,5 (materiali non polari) ad oltre 6 (materiali polari) Valori tipici di alcuni materiali isolanti solidi

εr

Er (kV/mm)

Carta di cellulosa secca

1,6 ÷ 2

7 ÷30

Carta aramidica secca

2 ÷ 2,5

20 ÷ 25

Gomme (naturali e sintetiche)

3 ÷ 4,5

15 ÷ 25

2,2 ÷ 2,5

120 ÷ 140

Resine sintetiche

3÷4

10 ÷ 40

Smalti

3÷4

50 ÷ 100

4,5 ÷ 6

20 ÷ 38

≥ 4,5

30 ÷120

materiale

Materiali polimerici

Porcellana Vetro

Sollecitazione termica


in un materiale isolante solido ogni danneggiamento, anche minimo, dovuto a qualsiasi causa, è un danneggiamento permanente; gli isolanti solidi subiscono dunque un progressivo deterioramento dovuto sia alla loro vita operativa ma anche alle condizioni della loro preparazione o conservazione in magazzino.


il deterioramento che si verifica durante la vita operativa è dovuto alle varie sollecitazione cui l’isolante è sottoposto: meccaniche (vibrazione, sforzi), elettriche, chimiche, ambientali, radiazioni, polveri, termiche, ecc…


fra tutte queste sollecitazioni, quella che viene ritenuta la più importante è quella termica (temperatura di funzionamento), anche perché un’elevata temperatura accelera il processo di degrado dovuto alle varie sollecitazioni È quindi molto importante stabilire la massima temperatura cui un isolante può essere sottoposto, e questo significa che il dimensionamento di un isolamento solido è in realtà un problema di dimensionamento termico.

Temperatura massima di servizio


la massima temperatura di servizio Tm è quella che, applicata permanentemente al materiale per tutta la durata della vita operativa, determina, un tempo di vita pari a quello di progetto tp.


questa

definizione implica un ciclo termico in cui la temperatura è costante per tutta la durata della vita operativa:

T

Tm

tp

t

Classe termica Quando la massima temperatura di funzionamento non sia determinata sulla base di una curva di vita termica determinata con prove d’invecchiamento accelerato, si fa riferimento alla classe termica (detta a volte classe d’isolamento) del materiale isolante stabilita dalle Norme IEC; Temperatura massima ammissibile in regime permanente Tm Classe IEC

Y

A

E

B

F

H

200

220

250

Tm (°C)

90

105

120

130

155

180

200

220

250

Pubblicazione IEC 58, 1984

I valori di temperatura indicati sono desunti dall’esperienza dei progettisti, in base alla quale si può ottenere una durata di vita operativa soddisfacente quando l’isolante sia sollecitato da una temperatura T ≤ Tm .

Si deve tener presente che:

 la temperatura massima ammissibile di un materiale, e quindi l’appartenenza ad una classe termica, dipende fortemente dalle sollecitazioni (elettriche, meccaniche, chimiche, ecc…) cui è sottoposto:

• un dato materiale quindi, può appartenere a diverse classi termiche in relazione alle sollecitazioni d’esercizio.

il deterioramento di un materiale isolante può essere determinato, altre che dalla temperatura, da numerosi altri fattori, quali stress elettrici o meccanici, vibrazioni, danneggiamenti atmosferici o chimici, polveri, radiazioni;

• questo fatto, in relazione a particolari esigenze di servizio, può consigliare il progettista di adottare temperature massime ammissibili inferiori a quelle indicate dalle Norme.

 il corretto dimensionamento del sistema isolante di una macchina deve tendere ad assicurare la stessa durata di vita operativa per ogni singolo componente del sistema stesso; questo significa che i vari componenti, in relazione alle diverse sollecitazioni cui è sottoposto, possono avere una diversa temperatura massima ammissibile.

 quindi la massima temperatura ammissibile Tm deve intendersi come la temperatura del singolo materiale isolante e non quella dell’intera macchina

Ad esempio le Norme CEI prescrivono per un trasformatore immerso in olio Parte della macchina

Sovratemperatura ammessa (°C)

Avvolgimenti (classa A)

65 – 70

Olio nella parte superiore della macchina

55 -60