Motore Asincrono Trifase Paolo Patti
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Motore Asincrono Trifase Il Motore Asincrono Trifase, venne per la prima volta realizzato da Galileo Ferraris nel 1885. Esso viene alimentato direttamente dalla rete di distribuzione, a tensione e frequenza costanti, e rappresenta il motore elettrico più semplice, economico, robusto ed affidabile che la tecnica conosca. È ad elevato rendimento, non richiede lubrificazione, né manutenzione, non presenta alcuna difficoltà o particolarità per l’avviamento e, pertanto, è il dispositivo più diffuso nell’utilizzazione dell’energia elettrica come ‘forza motrice’. Prototipo di motore asincrono realizzato da Galileo Ferraris Il suo principio di funzionamento si basa sulla creazione di un campo rotante, realizzabile per mezzo di circuiti fissi nello spazio e percorsi da correnti polifasi, in particolare da correnti trifasi. Per piccole potenze, oppure per limitate applicazioni speciali, questo motore può anche essere di tipo monofase. Rispetto agli altri tipi di motori elettrici, il motore asincrono trifase presenta diversi vantaggi quali peso ed ingombro ridotti a parità di potenza, mancanza di particolari dispositivi di eccitazione, in quanto preleva Moderno motore asincrono trifase direttamente dalla rete, la potenza magnetizzante necessaria per creare il flusso induttore della macchina. Il motore asincrono è autoavviante; sviluppa, spontaneamente ed automaticamente, variando la propria velocità, una coppia motrice atta a controbilanciare la coppia resistente applicata all’albero motore, determinando un funzionamento stabile. Il motore asincrono presenta alcuni aspetti vincolanti, tra i quali: • all’avviamento, con inserzione diretta sulla rete, la corrente di spunto può risultare da 4 a 10 volte maggiore della corrente assorbita a pieno carico, con problemi alla rete di distribuzione (cadute di tensione) ed agli interruttori (intervento intempestivo); • questa corrente risulta essere molto sfasata rispetto alla tensione e la coppia motrice sviluppata dal motore all’avviamento, detta coppia di spunto, è piccola nonostante l’elevato valore della corrente assorbita. Il motore asincrono trifase è, generalmente, sotto l’aspetto elettrico, un utilizzatore trifase che provvede a convertire energia elettrica in meccanica. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 1 Vale la pena osservare che i motori asincroni possono essere alimentati con un sistema polifase simmetrico qualunque di tensioni, ma, poiché la distribuzione dell’energia elettrica viene fatta esclusivamente con sistemi trifasi, nella pratica vengono realizzati solo motori asincroni trifase. Il motore asincrono trifase avendo un funzionamento reversibile, come tutte le macchine elettriche, può funzionare anche da generatore, ma la sua utilizzazione in questa veste non è molto frequente. Infatti il funzionamento come generatore è subordinato alla possibilità di assorbire dalla rete, sotto tensione a frequenza f, la potenza reattiva necessaria a creare il campo magnetico induttore: senza di esso la macchina non potrebbe funzionare in nessun caso. Struttura generale Il motore asincrono è costituito da due parti fondamentali di forma cilindrica coassiali: una parte esterna, fissa, detta ‘sstatore’ ed una interna, coassiale, munita di albero, sostenuto da due supporti, libera di ruotare intorno all’asse della macchina, detta ‘rrotore’. Vista d’insieme di un motore asincrono trifase. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 2 Statore Lo statore è costituito, così come il rotore da una parte meccanica, una magnetica e una elettrica e viene chiamato anche induttore. 1. La parte meccanica statorica è costituita generalmente dalla carcassa e dagli scudi laterali. Generalmente è costruita in alluminio presso-fuso comprese le alette per il raffreddamento, o in ghisa, oppure in acciaio in più pezzi saldati fra di loro a seconda della potenza del motore. 2. La parte magnetica statorica è costituita dal circuito magnetico o pacco lamellare. Il circuito magnetico a sua volta è costituito da lamierini magnetici, generalmente di 0,5 mm di spessore, montati in senso perpendicolare all’asse della macchina per ridurre le perdite dovute alle correnti parassite indotte dal flusso magnetico variabile a cui è sottoposto. Il tenore di silicio contenuto nel materiale ferromagnetico, è basso, Albero motore meno dell’1%, per ridurne la fragilità e la durezza e quindi consentire una facile lavorazione Nella parte interna del circuito magnetico vengono realizzate delle scanalature generalmente semichiuse, dette cave (o canali) che accoglieranno gli avvolgimenti statorici. Il pacco lamellare statorico viene posto entro la carcassa. 3. La parte elettrica è costituita dagli avvolgimenti statorici. Gli avvolgimenti di Statore, costituiti da tre circuiti uno per ogni fase, si chiamano avvolgimenti induttori. La disposizione delle cave per ogni fase dipende dal numero di poli dell’avvolgimento che si vuole realizzare. Ogni fase è costituita da bobine di filo di rame isolato per potenze medio piccole e da piattine anch’esse isolate per grandi potenze. I capi delle tre fasi, per poter collegare le fasi a stella o a triangolo e poi alla linea, vengono riportati a sei morsetti situati sulla carcassa, risulta così comodo modificare le Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 3 Particolare della morsettiera di un motore asincrono con gli avvolgimenti collegati a stella connessioni tra i morsetti, come illustrato nella figura sotto. Statore visto nel suo complesso Rotore Anche il rotore è costituito da una parte meccanica, una magnetica e una elettrica. La parte meccanica rotorica è costituita dall’albero motore che normalmente è in acciaio tornito, compreso di cuscinetti o bronzine, che inseriti negli scudi, ne consentono la rotazione. La parte magnetica rotorica è costituita da un pacco lamellare simile a quello statorico. Particolare attenzione va fatta nella costruzione dei motori asincroni per prevenire ed evitare il fenomeno dell'impuntamento. L’impuntamento, fenomeno per il quale il rotore, nei motori con debole coppia di spunto, tende a bloccarsi alla partenza nella posizione di minima riluttanza del circuito magnetico e che comunque provoca rumore e vibrazioni, si verifica quando coppie di denti statorici e rotorici si trovano affacciati in corrispondenza fra loro. Infatti, il passaggio ad una posizione diversa fa aumentare la riluttanza e quindi diminuire il flusso per polo e, conseguentemente, la coppia motrice che potrebbe non essere più adeguata a vincere la coppia resistente. Per evitare l’impuntamento del motore all’avviamento, e per evitare vibrazioni dovute a variazioni ritmiche del flusso magnetico al traferro si fanno primi tra loro il numero delle cave per polo e per fase del rotore e dello statore, Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 4 Rotore con cuscinetti, scudo e ventola. Il numero di cave rotoriche deve essere diverso da quello statorico cioè, il rapporto tra il numero delle cave di statore e quello di rotore non deve mai essere un numero intero. Inoltre, specie per i rotori a gabbia, un ulteriore miglioramento si ha se le cave del rotore non sono disposte parallelamente all'asse longitudinale della macchina, ma inclinate di una quantità pari al passo polare delle cave di statore. Tipi di rotore • I rotori dei motori asincroni, detti anche indotti, appartengono generalmente a due grandi famiglie: • Rotore avvolto o ad anelli; • Rotore a gabbia o in corto circuito. Motore asincrono con Rotore avvolto. Nelle macchine a rotore avvolto sulla parte rotante vi è un normale avvolgimento trifase simile a Sistema Spazzole e Anelli quello statorico avvolto per lo stesso numero di poli. Questi motori all’avviamento hanno la necessità di inserire nelle fasi rotoriche un reostato che poi va disinserito progressivamente, collegando poi le fasi in corto circuito ad avviamento avvenuto. Per consentire questo collegamento fra avvolgimento rotorico mobile e reostato di avviamento fisso, i capi delle tre fasi dell’avvolgimento rotorico si collegano da una parte a stella mentre dall’altra si portano su tre anelli calettati sull’albero e isolati fra di loro. Il contatto elettrico fra reostato di avviamento e avvolgimento rotorico avviene tramite tre spazzole fisse di materiale conduttore che poggiano sugli anelli. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 5 Motore asincrono con rotore a Gabbia di scoiattolo o in corto circuito Se il motore asincrono è del tipo a gabbia o in corto circuito allora nelle cave rotoriche non troveremo un vero e proprio avvolgimento del tipo di quello statorico, ma delle barre o dei tondini di rame saldati con saldatura autogena a due anelli frontali anch’essi di rame o di ottone oppure l’avvolgimento viene costruito in alluminio pressofuso. Dopo la fusione il rotore viene riscaldato fino ad una certa Avvolgimento rotorico a gabbia di temperatura e poi lasciato raffreddare in modo che il corpo di scoiattolo in rame. alluminio, raffreddandosi più velocemente e quindi riducendo la sua dilatazione prima del ferro, si distacca dal lamierino. In tal modo l’alluminio a contatto con l’aria si ossida e lo strato di ossido di alluminio che si forma, essendo isolante, evita il corto circuito dei lamierini creatosi con la fusione dell’alluminio sul pacco lamellare, identico discorso vale per la carcassa qualora sia realizzata anch’essa in pressofusione. Rotore a Gabbia di scoiattolo in alluminio. Particolare di un rotore a gabbia in alluminio in cui si vede come sugli anelli frontali di corto circuito vengano ricavate delle alette le quali assumono due funzioni: 1. creano perturbazione dell’aria favorendo il raffreddamento; 2. vengono utilizzati per l’equilibratura del rotore. È evidente che questo circuito presenta resistenze bassissime e non ha un numero di poli propri, adeguandosi, in maniera naturale, al numero dei poli di statore, che può essere un numero qualsiasi. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 6 Funzionamento del Motore Asincrono. Gli avvolgimenti trifasi statorici, alimentati da una terna simmetrica di tensioni e quindi percorsi da una terna trifase di correnti sinusoidali, generano un campo magnetico rotante di valore costante, la cui velocità n1, dipende dalla frequenza di alimentazione f1 e dal numero p di coppie polari secondo la relazione: n1 = 60 ⋅ f1 [giri/minuto] p Alla chiusura del circuito le correnti primarie inducono un campo rotante costante a velocità costante che tagliando i conduttori del rotore, induce in essi una tensione che fa circolare una corrente che provoca una coppia motrice che trascina in rotazione il rotore nella stessa direzione del campo rotante. In realtà, anche se il motore è a vuoto (cioè senza coppie frenanti applicate al suo albero), le perdite meccaniche dovute all'attrito nei cuscinetti ed alla ventilazione del rotore nell'aria, fanno si che sia sempre n2 < n1, con n2 velocità del rotore. In queste condizioni il campo rotante taglia sempre i conduttori del rotore inducendo una f.e.m. che fa circolare la corrente tale che permanga la coppia motrice. Nell’ipotesi che il rotore raggiungesse la velocità del campo rotante, quindi n1 = n2 , si avrebbe l’annullamento della f.e.m.i. e di conseguenza il motore si dovrebbe fermare. Per far ciò dovrebbe rallentare, ma se rallenta sarà n2 < n1, e il rotore diventa sede di f.e.m.i. e quindi il rotore è costretto a ruotare con una velocità diversa da quella del campo rotante e quindi non sincrono con essa, da cui il nome asincrono. Se, col motore alimentato (e quindi col campo rotante induttore presente) e funzionante a vuoto, si applica una coppia frenante (Carico) all'albero, si ha che il rotore rallenta così che aumenta la velocità con la quale il campo rotante taglia gli avvolgimenti rotorici. Aumenta quindi la corrente rotorica e con essa la coppia motrice fino a che la coppia motrice eguaglierà la coppia resistente esterna ripristinando nuove condizioni di equilibrio dinamico ad una velocità del rotore inferiore alla precedente. Nel caso in cui la coppia frenante sia eccessiva, il rotore rallenterà fino a fermarsi ed il motore si troverà a funzionare nella condizione di cortocircuito (o rotore bloccato) non sostenibile se non per un breve istante di tempo, a causa dell'elevata intensità delle correnti negli avvolgimenti. Scorrimento. Lo scorrimento assoluto s, rappresenta il numero di giri che il rotore perde nei confronti del campo rotante: Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 7 s= n1 − n2 velocità campo rotante − velocità rotorica = , è un numero adimensionale e si può anche n1 velocità campo rotante esprimere in percentuale. n −n s % = s ⋅100 = 1 2 ⋅100 scorrimento percentuale. n1 Dall'espressione dello scorrimento assoluto si ricava: n2 = n1 ⋅ (1 − s ) [giri/min], che rappresenta la velocità del rotore. Lo scorrimento può assumere tutti i valori compresi fra 0 e 1 s= n1 − n2 n1 − n1 = =0 n1 n1 per n1 = n2 In particolare sarà zero quando il rotore ruota a velocità di sincronismo (cioè mai nella realtà). s= n1 − 0 =1 n1 quando il rotore è fermo cioè all ' avviamento . L’andamento della coppia in funzione della velocità o dello scorrimento si chiama caratteristica meccanica e per un m.a.t. a gabbia è del tipo: C CM Immaginando inizialmente il rotore fermo, n2 = 0 , il campo rotante, taglierà trasversalmente i conduttori attivi rotorici che costituiscono i lati attivi di Cnom Cs una spira chiusa in cortocircuito a velocità n1. n2 n1 Caratteristica esterna o meccanica di un motore asincrono a Gabbia con resistenza rotorica bassa. n Nella spira si svilupperà, grazie alla legge generale dell'induzione elettromagnetica, una forza elettromotrice indotta che farà circolare una corrente I2 che genererà un campo magnetico. Tale campo magnetico interagirà col campo magnetico rotante induttore dando luogo a delle forze elettromagnetiche di intensità F e dirette in modo tale da formare una coppia motrice C. A causa della coppia motrice il rotore si metterà in movimento nello stesso senso del campo rotante. Mano a mano che il rotore acquista velocità sotto l'azione della coppia, diminuirà la velocità con la quale il campo rotante taglia i conduttori attivi del rotore e con essa le correnti rotoriche e la coppia motrice. Idealmente, se si trascurano gli attriti, la coppia motrice si annulla quando la velocità n2 del rotore eguaglia la velocità n1 del campo rotante. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 8 CM C Cs Cnom s=1 s s=0 La stessa curva mostrata precedentemente disegnata in funzione dello scorrimento anziché della velocità rotorica. Sia la coppia di spunto o si avviamento che la pendenza della curva dipendono dalla resistenza della gabbia rotorica. • Resistenza piccola, coppia di spunto piccola, pendenza molto elevata e coppia massima vicino alla velocità di sincronismo. • Resistenza grande coppia di spunto grande, pendenza mite e coppia massima molto meno vicina alla velocità di sincronismo. C CM Cs Cnom n2 n1 Caratteristica esterna o meccanica di un motore asincrono a Gabbia con resistenza rotorica alta. Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 9 n Tratto instabile C Punto critico Funzionamento stabile CM Cnom Cs n2CMax n1 n n2 > n2' il funzionamento del motore è stabile perchè ad ogni rallentamento dovuto a una ' maggiore coppia resistente, corrisponde una coppia motrice maggiore, per n2 = n2 diventa instabile Per velocità infatti un ulteriore aumento di coppia resistente non viene contrastato da un aumento della coppia motrice e il motore si blocca e andrebbe distrutto se non intervenissero le protezioni. Esaminando la caratteristica rappresentata nella Figura precedente nell’intervallo 0 < n2C max < n1 , notiamo che essa si compone di due rami, il primo, quello ascendente, cui corrisponde un funzionamento instabile, l’altro discendente, cui corrisponde un funzionamento stabile: il punto di coppia, CMAX segna il valore critico di confine tra queste due zone. Il secondo tratto è stabile perché, ad ogni aumento della coppia resistente, il motore rallenta e si porta a funzionare stabilmente ad un nuovo scorrimento cui corrisponde una coppia motrice maggiore, di valore pari al nuovo valore della coppia resistente richiesta. Dati di targa di un motore asincrono Motore Asincrono Trifase Paolo Patti Pag. 10
