Motori Asincroni Trifase

I motori asincroni trifase per il loro funzionamento necessitano di un campo magnetico variabile e rotante.

Campo magnetico rotante 1 spira

Alimentando una bobina con corrente AC si genera un campo magnetico sinusoidale con inversione della polarità alla frequenza f

• il campo magnetico si annulla a 0 e 180 gradi

• presenta due massimi a 90 (picco positivo) e 270 gradi (picco negativo)

• si genera un campo magnetico pulsante

  • questo campo è inefficace per un MAT

Campo magnetico rotante 3 spire

Consideriamo 3 spire

• disposte nel piano con un angolo di 120° tra loro

• alimentate con un sistema di tensione trifase

In questo caso:

• viene generato un campo magnetico rotante

  • simile a quello di un magnete permanente che ruota sul piano

• se le spire sono uguali circola la medesima corrente

• poiché i capi delle spire sono collegati alle linee trifasiche si avranno correnti entranti e uscenti

  • tra 0 e 60 gradi le correnti R e T sono positive, mentre S è negativa

    • R e T sono entranti, S è uscente

  • le tre bobine creano un campo magnetico

    • la loro risultante divide le sezioni di corrente entrante con quella uscente. Questo vettore è il vettore N

In definitiva:

• alimentando tre spire disposte a 120° con una terna di tensioni sinusoidali si genera un campo magnetico rotante

  • questo campo magnetico esegue una rotazione completa nel tempo di un periodo elettrico

Principio rotazione del motore

• il campo rotante statorico da luogo a periodiche variazioni di flusso concatenato con i conduttori del rotore

  • i conduttori del rotore subiscono l'effetto della legge dell'induzione elettromagnetica, divenendo sede di f.e.m (legge di Faraday)

  • le correnti indotte si oppongono alla causa che le ha generate

    • i conduttori si mettono a ruotare nel senso del campo magnetico rotante

    • i conduttori cercano di raggiungere la velocità di sincronismo

      • si genera quindi una coppia motrice

Da ciò ne consegue:

• i motori asincroni trifase sono autoavvianti

• campo rotante e rotore girano sempre nello stesso verso

  • per invertire la rotazione bisogna invertire i collegamenti di 2 morsetti dello statore

• il MAT può essere studiato come un trasformatore

• statore primario, rotore secondario

• statore costituito da struttura in ghisa/leghe leggere. Ha fissaggi al basamento

  • vengono racchiusi una serie di lamierini in acciaio al silicio (0.5 mm) isolati da vernice isolante o ossidazione

    • serve per ridurre le correnti parassite

    • i lamierini hanno sedi per gli alloggiamenti delle bobine

      • si riduce il traferro tra statore e rotore, riducendo la riluttanza

  • gli avvolgimenti principali sono 3, formati da fili isolati o da sbarre (correnti elevate)

    • le cave sono isolate mediante fasciature di matasse con nastrature di cotone trattate

    • ogni avvolgimento è composto da una serie di bobine

      • il loro collegamento definisce il numero di poli del motore

      • possono essere collegati a stella (Y) o a triangolo (∆)

Rotore:

• • perfettamente in asse con lo statore

    • traferro di pochi millimetri

  • formato da un pacco di lamierini

    • vengono avvolti qui gli avvolgimenti polifase (alto numero di poli uguali a quello dello statore)

    • il numero delle cave è del 10 % superiore a quello degli statori

      • si evita un impuntamento

• rotore avvolto

  • gli avvolgimenti sono collegati a stella da una parte e a tre anelli in rame dall'altra. Questi sono integrati nel rotore

    • gli anelli sono collegati al dispositivo di avviamento mediante spazzole

  • in base alle resistenze rotoriche, si possono raggiungere coppie di spunto di 2.5 volte rispetto al nominale

  • presenza di usura

  • vengono preferiti per motori a elevata potenza

• rotore a gabbia di scoiattolo

  • è presente un circuito in barre di alluminio saldate alle estremità da due anelli. Si costruisce un cortocircuito

  • richiede meno manutenzione

  • problematiche di avviamento

    • coppia di spunto bassa

    • corrente assorbita superiore alla nominale

    • si risolvono mediante sistemi di avviamento

• Il motore asincrono presenta una velocità di rotazione diversa da quella del campo magnetico rotante

• La velocità V2 si discosta tanto più è alta la coppia resistente

• Il rapporto tra la differenza n1 - n2 prende il nome di scorrimento (s)

  • n1 è la velocità del campo induttore

  • n2 è la velocità del rotore

• costituisce la frazione di giro che il motore prende per ogni giro completo del campo magnetico rotante

s = ( n1 - n2 ) / n1

Scorrimento percentuale

• indica il numero di giri che il perde ogni 100 giri

• tipicamente è compreso tra 3 e 7 %

  • i valori bassi sono tipici dei motori ad alta potenza

s% = ( n1 - n2 ) * 100 / n1

• se il rotore raggiungesse la stessa velocità del campo magnetico statorico non vi sarebbe variazione di flusso concatenato

  • questo porta all'assenza di tensione indotta

    • in assenza di tensione indotta non c'è coppia motrice

• in condizioni reali non si può avere a causa delle dissipazioni/atriti

  • in condizioni reali si ostacola il sincronismo

• regolazione mediante variazioni delle coppie polari

  • si ottiene una variazione a gradoni

  • la complessità del circuito permette solo 2 o 3 variazioni

• regolazione mediante variazione della frequenza

  • si può ottenere una variazione graduale della velocità

  • si utilizza un convertitore di frequenza

  • avviene:

    • trasformando la AC in DC grazie ad un ponte di Graetz (non si stabilizza la corrente)

    • la corrente viene filtrata in un circuito intermedio

    • il convertitore-inverter trasforma la DC in AC con una frequenza variabile

      • crea un'onda sinusoidale mediante PWM

  • permette un avviamento più semplice

    • frequenze troppo basse diminuiscono l'impedenza statorica

      • questo aumenta l'intensità di corrente del campo magnetico, causando un surriscaldamento (effetto Joule)

      • si risolve abbassando le tensioni, questo porta ad una coppia costante

• tecnologia soft-starter

  • controllano automaticamente potenza e carico e se sono adeguati

    • se i controlli passano, si alimenta il motore

    • altrimenti l'alimentazione si stacca entrando in protezione

  • scelta più sicura nel momento di spunto

I soft-starter:

• messa in moto e inversione di marcia semplici

• variazione della velocità con potenziometro

• ampia variazione della velocità del motore

• gestione delle rampe di accellerazione o decellerazione

• comodo controllo sul display dei parametri del motore

• possibilità di salvare alcune velocità come predefinite (multi-velocità)

La velocità di rotazione in questo motore dipende dal numero di polarità e dalla frequenza della corrente in entrata.

• il campo magnetico compie un numero di rotazioni uguali alla frequenza di alimentazione

• in presenza di più coppie polari la velocità diminuisce

  • dovuto alla minore distanza polare da percorrere

Formula: n = 60 * f / p

In assenza di convertitore, bisogna cambiare due dei morsetti delle 3 fase. Questo permette di variare la sequenza di eccitazione degli avvolgimenti.

Frenatura meccanica

• nei motori autofrenanti il sistema di frenatura è meccanico

• composto da freno interno e negativo (funziona in mancanza di alimentazione)

  • freno a disco

• quando il motore è alimentato, degli elettromagneti tengono distanti le molle dal disco

• la scelta tiene conto

  • rapidità di frenata desiderata

  • momento di inerzia delle masse applicate all'albero

• precisione di arresto

• sicurezza dell'intervento istantaneo in caso di interruzione della corrente

Frenatura con iniezione di DC

• si invia della DC negli avvolgimenti statorici al posto della trifase

• si genera un campo magnetico fisso

  • si ottiene un generatore sincrono con uscita in cortocircuito

• le perdite per effetto Joule riducono l'energia cinetica delle masse

• per evitare riscaldamenti inutili si installa un dispositivo che interrompa l'erogazione all'arresto

• alimentazione fornita da raddrizzatori che erogano AC a tensione ridotta rispetto la trifasica (manca l'induttanza degli avvolgimenti)

• nel motore a gabbia si ha una facile regolazione della frenatura

  • tensione DC pari a 1.3 rispetto alla nominale

• diminuzione di velocità corrisponde a riduzione effetto frenante

  • se non si arresta il freno fa da rallentatore

Frenatura elettronica

• si ottiene con un convertitore di frequenza

  • dotato di una resistenza di frenatura

• riducendo la frequenza di alimentazione diminuisce la velocità di rotazione del campo induttore

  • il motore si comporterà da generatore

    • l'energia meccanica viene dissipata con una resistenza di frenatura collegata al convertitore

      • niente perdite e surriscaldamenti

Frenatura per inversione del senso di marcia

• sfrutta l'inversione del senso di marcia

• l'inversione repentina causa una forte reazione nel rotore

  • lo scorrimento diventa prossimo al 200%

  • sviluppo di correnti molto forte

  • per limitare l'effetto Joule serve un sistema di resistenze in serie sul circuito di alimentazione

  • quando il motore si ferma bisogna togliere l'alimentazione: questo per evitare che riparta a marcia inversa.

Avviamento del motore diretto

• il MAT viene collegato direttamente alla linea di alimentazione

• metodo semplice e economico

• usato sui motori di piccola potenza

Coppia di spunto elevata:

• • rovina e mette a dura prova gli organi di trasmissione.

Accelerazione elevata:

• • come sopra.

Forte assorbimento di corrente:

• • causa un surriscaldamento e un abbassamento della tensione di alimentazione

    • l'abbassamento della tensione causa un disagio alle altre macchine collegate alla medesima linea di alimentazione

Stella-triangolo

• più usato e conosciuto, permette avviamenti a tensione ridotta

• riduce le sollecitazioni meccaniche

• limita le correnti (riduzione corrente assorbita)

• coppia di spunto ridotta (fino a tre volte)

• risulta idoneo per partenze a vuoto o con coppia di spunto bassa e costante o leggermente crescente

Fase iniziale:

• connessione degli avvolgimenti a stella (Y)

  • tensione di alimentazione ridotta di sqrt(3) (legge di Ohm)

    • corrente assorbita ridotta

• dura fino a quando il rotore non raggiunge la velocità di regime

• la durata viene calibrata conoscendo il comportamento dell'utilizzatore

La commutazione è regolata da temporizzatori:

• • durata accelerazione è in funzione della differenza tra coppia motrice media e la coppia resistente media

  • la durata deve essere sufficiente a ridurre le sollecitazioni che caratterizzano questo tipo di avviamento

Fase di commutazione:

• si passa dal collegamento a stella a quello a triangolo

• il tempo di transizione deve essere tale da:

  • estinguere l'arco elettrico sul contatore a stella

  • impedire una chiusura troppo anticipata

    • chiusura contemporanea porta a cortocircuito

  • impedire una commutazione troppo veloce

    • decelerazione del complesso motore-macchina

      • problemi di picchi di corrente (simili avviamento)

Fase finale:

• condizione di marcia a regime

• avvolgimenti risultano a triangolo con tensione di rete

Autotrasformatore

• riduzione di tensione mediante autotrasformatore di un valore che va da 1,25 a 1,8.

  • a uscita fissa

  • a tensione variabile con continuità (costoso)

• durante la fase di accelerazione riduce la tensione di alimentazione

  • riduce proporzionalmente al rapporto di trasformazione impostato

  • si ha una riduzione della coppia di spunto e della corrente su circuito rotorico

• nella fase finale (90% della velocità a regime) viene scollegato

  • si collega il motore direttamente alla linea di alimentazione

• avviamento molto costoso

• applicazione nei motori a gabbia di scoiattolo di media/grossa potenza

  • alta inerzia del sistema-macchina

Resistori statorici

• si ha una caduta di tensione causata dai resistori inseriti in serie agli avvolgimenti

• Il fattore di riduzione della tensione e quindi della coppia va da 2,5 a 3,5 volte quella nominale (quella di targa).

• è più costoso rispetto ad un avviamento Stella-Triangolo

• durante l'avviamento la corrente passa attraverso i resistori

  • la tensione, corrente e coppia risultano inferiori al nominale

• per passare al pieno carico si cortocircuitano i resistori

  • mediante collegamento diretto tra motore e alimentazione

Soft starter

• avviatori statici elettronici a tirisorti

• è più costoso e viene utilizzato per macchinari più grossi

• limitano la corrente mediante i tiristori

  • controllo di ritardo di fase

  • riducendo la corrente assorbita si ottiene la riduzione della coppia

• costituiti da:

  • unità di potenza

  • unità di controllo

• si misura la corrente in una fase e il valore viene riportato a un circuito di regolazione

  • il motore si mette in moto sul valore limite di corrente

    • raggiunge la velocità nominale

• l'avviamento è controllato dal soft-starter

  • a regime si esclude il circuito di potenza, mantenendo solo quello di controllo

• limitazione della corrente di avviamento

• avviamento dolce, graduale e senza strappi

• regolazione e ottimizzazione dell'avviamento in base alle specificità dell'applicazione

• risparmio energetico

• gestione attraverso PC

• può essere controllato a distanza

• permette di scegliere i parametri di avviamento

• elevato costo, superiore a tutti gli altri sistemi

Reostato rotorico

• adottato solo nei motori con rotore avvolto

• possono cambiare la resistenza in modo continuo

• all'avviamento hanno resistenza massima e vengono poi disinseriti

• le spazzole vengono scollegate raggiunta le velocità di regime

  • diminuire atriti e usura

• permette di modificare le caratteristiche meccaniche

• permette di raggiungere la coppia massima sviluppata

• si può regolare la velocità (rendimento minore causato dal passaggio di corrente nei reostati)

• costo elevato per la costruzione dell'avvolgimento rotorico e la gestione del gruppo reostato-spazzole-anelli

• relazione tra coppia motrice e velocità di rotazione del motore

• in avviamento la coppia aumenta all'aumentare del numero di giri

• arrivati alla coppia massima, se si aumenta la velocità la coppia decresce drasticamente

• in sincronismo la coppia è nulla

• il funzionamento è stabile solo nel tratto di velocità massima e coppia massima

• se in avviamento la coppia del motore è maggiore della resistente

  • aumentano i giri n2 per arrivare all'equilibrio

  • il funzionamento è stabile perché alla diminuzione di giri corrisponde un aumento della coppia motrice

    • riequilibrio delle coppie

  • fino a quando la resistente non raggiungere la massima è sempre possibile riequilibrare il motore

    • altrimenti si spegne il motore

• se in avviamento la coppia del motore è minore della resistente

  • servono accorgimenti come i reostati di avviamento

    • si deforma la curva della caratteristica meccanica

    • una volta avviato, vengono disinseriti

• il MAT è reversibile

• si applica al motore una coppia che permette di aumentare la velocità

  • si supera il sincronismo

  • per effetto delle correnti indotte si genera una coppia resistente che si oppone all'aumento di velocità

    • questo permette di generare sul primario (statore) una corrente elettrica

      • comportamento simile a quello di un generatore sincrono

• un MAT fa da generatore se viene allacciato alla rete di alimentazione trifase

• riportati sulla targa

  • prendono il nome di dati di targa

• potenza meccanica nominale

• tensione di alimentazione del motore, associata al tipo di collegamento degli avvolgimenti

  • generalmente si indica la tensione VY

  • la tensione V∆ si ricava con la relazione : V∆ = VY / sqrt3

• corrente nominale assorbita a pieno carico (In)

• corrente di spunto in rapporto alla nominale (Is / In)

• velocità di rotazione a regime

• fattore di potenza cosɸ (ɸ è l’angolo tra il vettore I e V)

Opzionalmente possono essere riportate inoltre:

• tipo di servizio. Sono 4 (S1, S2, S3, S6) e fanno riferimento alle modalità di servizio:

  • S1, servizio continuo

  • S2 , servizio di durata limitata

  • S3, servizio di durata intermittente periodico

  • S6, servizio ininterrotto periodico

• grado di protezione IPXX a infiltrazione di liquidi e polveri

• classe termica o classe di isolamento.

  • sono 5 (A,B,E,F,H) e fanno riferimento alla temperatura massima che può sopportare l'entità

• costruzione similare al MAT

• non è in grado di avviarsi autonomamente

  • rotazione avviata da campo magnetico rotante

    • per questo si usano due avvolgimenti perpendicolari

      • le correnti sono sfasate di 90°

      • l'avvolgimento principale da la marcia

      • l'ausiliario serve per avviare

        • escluso dopo l'avviamento

• il campo magnetico è pulsante

• l'inversione di marcia avviene invertendo il campo magnetico dell'ausiliario

  • occorre invertire la polarità dell'ausiliario

  • non si ottiene inversione invertendo l'alimentazione trifase

• diffuso negli impianti civili/elettrodomestici

• potenze di 1.5 kW

• coppia di spunto molto bassa