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
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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.
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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
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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,
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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.
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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.
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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:
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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.
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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.
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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
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