Indice generale
Motore sincrono trifase...........................................................................................................................
Motore asincrono trifase.........................................................................................................................
Motore in corrente continua...................................................................................................................
Motori ad eccitazione separata o indipendente. (ecc.s.)....................................................................
Motori ad eccitazione derivata (ecc.d.) ............................................................................................
Motori ad eccitazione serie. (ecc.ser.)................................................................................................
Motori ad eccitazione composta. (ecc.c.)..........................................................................................
Attuatori..................................................................................................................................................
Azionamenti per motori in corrente continua.........................................................................................
Azionamenti per motori asincroni..........................................................................................................
Motorizzazioni per trattamenti di fluidi.............................................................................................
Motorizzazioni per trazioni................................................................................................................
Motorizzazioni per macchine manifatturiere normali.......................................................................
Motorizzazioni per macchine manifatturiere speciali........................................................................
Motorizzazioni per moti incrementali................................................................................................
Dimensionamento...................................................................................................................................
Dimensionamento motore asincrono:................................................................................................
Dimensionamento dell' inverter:........................................................................................................
Dimensionamento motore in corrente continua:................................................................................
Dimensionamento dell' Driver per il pilotaggio del motore:.............................................................
Motore sincrono trifase
Le macchine sincrone sono utilizzate molto frequentemente come generatori di corrente alternata.
La macchina sincrona è utilizzata come motore elettrico solo nel caso in cui si voglia sfruttare la
perfetta sincronizzazione tra la velocità della macchina sincrona e la frequenza d' alimentazione.
La macchina sincrona è costituito da una parte fissa detta statore e una mobile detta rotore.
Lo statore genera il campo magnetico rotante. Lo statore è alimentato da corrente alternata tramite
dei connettori collegati in configurazione stella o triangolo.
Il rotore genera un campo magnetico fisso. Il rotore è alimentato con una corrente continua ottenuta
tramite spazzole striscianti.
I motori sincroni non si avviano in modo autonomo ma necessitano di un motore ausiliario. Il
motore sincrono durante la fase d'avviamento è portato alla velocità di regime dal motore ausiliario
e in tale situazione alimentando lo statore e il rotore si determinano dei campi magnetici che
concatenandosi obbligano il motore a ruotare. Poiché il fenomeno d' induzione avviene per l'azione
del rotore esso è detto anche induttore mentre lo statore che subisce l'induzione è detto anche
indotto.
Vi sono motori sincroni che possono avviarsi in modo autonomo e sono detti autosincroni. I motori
autosincroni hanno un avvolgimento tale da far comportare all' avviamento il motore come uno
asincrono.
La relazione che ci permette di determinare la velocità di un motore sincrono è la seguente:
Numero giri = 60 * frequenza / numero poli
La velocità del motore sincrono è costante al variare del carico. Quando il carico è eccessivo il
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motore si ferma e se non si interrompe l'alimentazione il motore subisce picchi di sovracorrente
dovuti alla forza elettromotrice d' induzione che danneggerebbe il rotore.
Il senso di rotazione del motore si inverte disponendo in modo differente tra loro le fasi di
alimentazione dello statore.
Un motore sincrono può essere utilizzato come rifasatore in quanto determina uno sfasamento tra la
corrente e la tensione d' alimentazione regolabile con la corrente di eccitazione del rotore
Poiché un motore sincrono produce come già detto uno sfasamento modulabile con la corrente d'
eccitazione per fermare un motore sincrono occorre :
– scarica meccanicamente il motore senza diseccitarlo
– rendere minima la corrente alternata (corrente di statore) fino a renderla in fase con la
tensione
– aprire l' interruttore di alimentazione
Caratteristiche di un motore sincrono
– Numero e tipo: sono le sigle che contraddistinguono la macchina
– Potenza nominale:potenza apparente KVA assorbita quando la macchina è alimentata con la
tensione nominale.
– Fattore di potenza: fattore di potenza di funzionamento del motore
– Frequenza: frequenza della tensione di alimentazione
– Tensione: tensione nominale di alimentazione del motore
– Corrente: intensità di corrente nominale assorbita dal motore
– Collegamento: tipo di collegamento dell' avvolgimento trifasico statorico
– Giri: velocità
– Servizio:continuo se l'assorbimento della corrente avviene per un tempo indefinito
Intermittente se l'assorbimento avviene in certi intervalli di tempo.
Motore asincrono trifase
Il motore asincrono è costituito da una parte fissa detta statore e una mobile detta rotore.
Lo statore genera il campo magnetico rotante ed è alimentato con corrente alternata trifase.
Il rotore è alimentato dalla corrente indotta ed ha lo scopo di generare un campo magnetico che si
oppone al campo statorico producendo il movimento.
La velocità del campo magnetico rotante è legata alla frequenza della corrente di alimentazione e al
numero di poli di cui è costituito lo statore.
Lo statore è costituito da avvolgimenti trifase sistemati nelle cave del pacco statorico.
Il rotore è costituito da lamierini scanalati in cui sono sistemati
– dei conduttori
– un avvolgimento
Se all' interno del pacco rotorico sono sistemati dei conduttori di sezione elevata collegati tra loro
tramite due anelli si parla di rotore a gabbia semplice o “in corto circuito” o a “gabbia di
scoiattolo”. Il rotore è detto a doppia gabbia quando è costituito da due distinte gabbie di
avvolgimento una gabbia esterna con conduttori di piccola sezione e una gabbia interna con
conduttori di sezione maggiore
Motori elettrici Ing. Antonio Nicolazzo
Il rotore è detto avvolto quando l' avvolgimento trifase sistemato nel pacco rotorico ha i terminali
liberi collegati a tre anelli isolati tra loro e fissati sull 'asse del rotore. Durante l'avviamento i tre
anelli sono collegati al reostato d'avviamento dopo sono collegati in corto tra loro.
Il rotore in un motore asincrono gira ad una velocità inferiore a quella del campo ruotante altrimenti
non si genererebbe corrente indotta.
La velocità di un motore asincrono varia con il carico
La velocità del campo ruotante è detta velocità di sincronismo e si calcola nel modo riportato:
numero giri =60 * frequenza /numero poli
La differenza tra la velocità del campo ruotante e il rotore è detta scorrimento. All' aumentare del
carico aumenta lo scorrimento ed aumenta la corrente assorbita.
L'avvolgimento statorico di un motore asincrono può essere collegato a stella o a triangolo
X
Y
Z
Collegamento a
stella
X
Y
Z
Collegamento a
triangolo
Gli avvolgimenti collegati a triangolo sono soggetti alla tensione V mentre quelli collegati a stella
sono soggetti ad una tensione inferiore V/1,73
220
220
220
180
180
180
Il motore asincrono genera durante la fase di avviamento un elevata corrente indotta che deve essere
ridotta per evitare dei danni agli avvolgimenti.
– i motori con rotore in cortocircuito per ridurre la corrente d'avviamento riducono la tensione
di alimentazione mediante la commutazione stella- triangolo
– i motori con rotore avvolto riducono la corrente rotorica con un reostato d'avviamento
che è disinserito dopo la fase d'avviamento
– I motori a doppia gabbia nascono per sopperire alla perdita di coppia all' avvio determinata
dall' avviamento con tensione d' alimentazione ridotta. La gabbia esterna presenta una
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resistenza maggiore rispetto alla gabbia interna (perché i conduttori sono di sezione minore)
e presenta una reattanza minore. Durante l'avviamento la reattanza della gabbia esterna
risulta minore di quello della gabbia interna quindi il flusso si concatena prevalentemente
con l'avvolgimento esterno che avendo una resistenza elevata limita il valore della corrente
indotta. Durante il normale funzionamento è l'avvolgimento interno a presentare una
reattanza minore e quindi con esso si concatena prevalentemente il flusso. In questo modo
abbiamo realizzato per il motore asincrono una diverso comportamento ohmico a seconda
della fase di funzionamento analogamente a come si fa con l'utilizzo del resistore d'avvio.
La variazione di velocità in un motore asincrono può avvenire con variazione della frequenza di
alimentazione o variazione della resistenza del restato o con variazione del numero di poli.
L'inversione del verso di rotazione è determinato con l'inversione del verso di rotazione del campo
magnetico ossia cambiando la posizione reciproca delle tensioni d'alimentazione dello statore.
Sintesi:
In una schematizzazione estrema del motore asincrono, valida principalmente per piccoli valori
dello scorrimento, si ottiene che la coppia ed il flusso sono entrambi proporzionali alla Is
(corrente di statore) e che la corrente Is è proporzionale al rapporto tra Vs (tensione di statore)
e f (frequenza alimentazione).
Visto che la velocità di rotazione dipende grossomodo dalla frequenza di alimentazione,
si può ottenere il funzionamento a regime per diverse velocità utilizzando Vs/f costante e
pari a Vs_n/f_n (con _n indico le grandezze nominali).
Se f > f_n allora Vs > Vs_n, ma ciò non può essere fatto per evitare problemi di isolamento.
Dunque si mantiene Vs = Vs_n ed f > f_n, questo fa si che la corrente (coppia) decresca come 1/f_n,
ma visto che la potenza cresce come f_n, il funzionamento è a potenza costante.
Se si applica all’albero motore una coppia resistente che lo rallenta, per cui le correnti rotoriche
assumeranno un valore tale da sviluppare una coppia motrice pari a quella resistente e questo
equilibrio si stabilisce ad una velocità inferiore a quella di sincronismo, in corrispondenza di
uno scorrimento tanto maggiore, quanto maggiore è il momento resistente le f.e.m. rotoriche
avranno ampiezza e frequenza variabili al variare della velocità del rotore
Per le relazioni sopra riportate si deduce che quando si avvia un motore asincrono con il metodo
della riduzione della tensione statorica si ottiene un avviamento con bassi valori di coppia. Infatti la
coppia è proporzionale al quadrato della tensione statorica. Quando un motore asincrono è avviato
con l' utilizzo del reostato d'avviamento La coppia di avviamento cresce, rispetto alla analoga
coppia che si otterrebbe con l’avviamento diretto mentre lo scorrimento assume valore prossimo ad
uno. Poiché lo scorrimento è s =(ns – nr)/ns dove nr è la velocità rotorica e ns è la velocità del campo
statorico s = 1 significa nr ≈ 0
Caratteristiche di un motore asincrono
– Numero e tipo: sono le sigle che contraddistinguono la macchina
– Potenza nominale:Potenza apparente KVA assorbita quando la macchina è alimentata con la
tensione nominale.
– Fattore di potenza: fattore di potenza di funzionamento del motore
– frequenza: frequenza della tensione di alimentazione
– Tensione: tensione nominale di alimentazione del motore
– Corrente: intensità di corrente nominale assorbita dal motore
– collegamento: tipo di collegamento dell' avvolgimento trifasico statorico
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– Giri: velocità
– Servizio:continuo se l'assorbimento della corrente avviene per un tempo indefinito
Intermittente se l'assorbimento avviene in certi intervalli di tempo.
– tensione statorica: La tensione massima applicabile allo statore
– corrente statorica: L' intensità massima di corrente che attraversa lo statore.
– collegamento statorico: collegamento triangolo o stella
– corrente rotorica: corrente che attraversa il rotore quando il motore sviluppa la potenza
nominale
– collegamento rotorico: tipo di collegamento dell' avvolgimento rotorico
Motore in corrente continua
E' costituito dallo statore , dal rotore e dalle spazzole e dal collettore
Lo statore e il rotore generano un campo magnetico costante perché sono attraversati da una
corrente continua.
Le spazzole inviano la corrente al collettore e quindi all' avvolgimento rotorico
Il collettore permette di alimentare sempre nello stesso senso le spire dell' avvolgimento rotorico
Alimentando lo statore e il rotore si generano due campi magnetici che reagiscono determinando
una coppia che produce la rotazione del rotore.
L'avvolgimento rotorico tagliando le linee del campo generato dallo statore determina l'induzione di
un forza contro elettromotrice E = n * Φ ( Φ intensità del campo magnetico) che si oppone alla
forza elettro motrice f.e.m. del rotore quindi riduce la corrente che circolerebbe nel rotore.
I =(V – E)/R
Durante la fase di 'avviamento la corrente che circola nel rotore è elevata perché la forza contro
elettromotrice indotta è elevata pertanto è necessario, per evitare il danneggiamento degli
avvolgimenti, aumentare la resistenza del rotore mediante una resistenza d'avviamento
I = (V – E)/(Rr + Ri)
La velocità di rotazione di un motore in corrente continua è determinata dall' interazione tra il
campo magnetico statorico e quello rotorico e si calcola con la relazione seguente:
numero di giri = E(rotorica)/ Φ = Er / Φ
Poiché il rotore è soggetto al fenomeno d' induzione ai suoi capi si determina una tensione indotta di
segno opposto alla tensione d'alimentazione secondo la legge di Lenz:
Er = V – Rr * Iindotta
da cui determiniamo la relazione per il calcolo della velocità:
(a)
Numero di giri = (V – Rr * Indotta)/ Φ
Osservazioni:
poiché la coppia generata dal motore è proporzionale al campo magnetico Φ e alla corrente che
attraversa il rotore secondo la formula
C = Φ *Ir
deduciamo che all' aumentare del carico meccanico il motore deve generare una coppia maggiore
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quindi richiede una maggiore corrente di alimentazione Ir e questo provoca data la relazione (a) una
diminuzione della velocità n.
La velocità di un motore in continua dipende :
– dalla tensione d'alimentazione
– dalla corrente indotta nel rotore
– dal flusso generato dalla statore
– dal carico meccanico
In una macchina a corrente continua le spazzole devono essere disposte lungo l'asse neutro. Dato
che nel normale funzionamento della macchina avvengono delle deformazioni dei campi magnetici
che provocano lo spostamento dell' asse neutro, per migliorare l'efficienza dei motori in corrente
continua si utilizzano degli avvolgimenti ausiliari che riducono lo spostamento dell' asse neutro.
TIPI DI MOTORI C.C.
I motori in continua possono essere:
– ad eccitazione separata o indipendente
– ad eccitazione derivata
– ad eccitazione serie
– ad eccitazione composta
Motori ad eccitazione separata o indipendente. (ecc.s.)
Nei motore ad ecc.s. si utilizza per alimentare lo statore e il rotore due sorgenti differenti. Questo
tipo di motore si presta molto bene per le regolazioni di velocità. La velocità dei motore ecc. s. si
ottiene agendo sulla tensione di armatura (rotore). Questi motori durante la fase d'avviamento sono
percorsi da un elevata corrente di rotore per il fenomeno dell' induzione. Per evitare il
danneggiamento dell' avvolgimento di rotore si ricorre ad un reostato d'avviamento in serie al
circuito d'indotto. La resistenza d'avviamento determina delle grandi perdite e riduce la coppia di
spunto.
Motori ad eccitazione derivata (ecc.d.)
Nei motori ad ecc.d. lo statore e il rotore sono alimentati dalla medesima tensione ossi
l' avvolgimento di statore e in parallelo all' avvolgimento d'indotto. Con tale configurazione la
velocità del motore dipende unicamente alla corrente indotta. Un motore ad ecc.d. quando è
soggetto ad un carico maggiore richiede una corrente d' indotta maggiore e di conseguenza ruota ad
una velocità minore. Nei motori ad ecc.d. La velocità è indipendente dalla tensione
d'alimentazione.
N = V/(Φ) = V/(k*V)
In questi motori la resistenza non può essere utilizzata per ridurre la corrente d'avviamento. Questi
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motori sono utilizzati dove occorrono velocità costanti al variare del carico.
Motori ad eccitazione serie. (ecc.ser.)
I motore ad ecc.ser. hanno l' avvolgimento di statore in serie a quello rotorico pertanto i due
avvolgimenti sono percorsi dalla stessa corrente. I motori ad ecc.ser. Presentano una forte
diminuzione della velocità all 'aumentare del carico infatti se aumenta il carico aumenta la corrente
richiesta quindi aumenta la caduta di tensione rotorica e il flusso d'eccitazione. Questi motori non
invertono il senso di rotazione cambiando la polarità dello statore perché comunque si inverte sia
l'azione dello statore che della corrente d'indotto.
Motori ad eccitazione composta. (ecc.c.)
I motori ad eccitazione composta presentano un avvolgimento d'eccitazione in serie a quello
rotorico ed un avvolgimento in derivazione.
I motori ad ecc.c. Sono detti con eccitazione composta addizionale se il contributo dell'
avvolgimento serie è concorde con quello dell' avvolgimento in derivazione altrimenti sono detti ad
azione composta differenziale.
Quando al motore è applicato un carico maggiore esso richiederà una maggiore corrente e nel caso
di 'avvolgimento ad azione addizionale avremo un aumento del flusso e quindi una diminuzione
della velocità e un veloce aumento dello coppia. Nel caso che l'avvolgimento serie sia ad azione
differenziale all'aumentare del carico il motore risponderà diminuendo il flusso e aumentando la
velocità e diminuendo la coppia. I motori ad eccitazione composta utilizzati sono quelli ad azione
addizionale.
I motori ad eccitazione composta con azione addizionale durante la fase d'avvio presentano una
sovracorrente d' induzione che contribuisce ad aumentare il flusso d'eccitazione e quindi ad
aumentare la coppia, di conseguenza i motori ad ecc.c. ad azione addizionali sono utilizzato ogni
qual volta necessita una coppia di spunto elevata.
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Attuatori
Si definisce attuatore il sistema che genera la grandezza d'ingresso per il sistema controllato. Il
sistema controllato è spesso un motore e in tal caso l'attuatore è un drive o un inverter a seconda che
si tratti di un motore in corrente continua o in corrente alternata.
Nelle applicazioni d' automazioni ci poniamo il fine di ottenere comandando opportunamente gli
attuatori degli spostamenti con velocità variabile e controllata.
con
troll
ore
azionamento
Motore
Carico
meccanico
Sensori
Il controllo del sistema può essere effettuato in anello aperto se agisce sull' azionamento non
preoccupandosi del risultato reale delle azioni o in anello chiuso se il controllo utilizza delle misure
del comportamento del sistema per condizionare l' azione di controllo.
Gli azionamenti si classificano in due grandi categorie:
– azionamenti che seguono il set di velocità con continuità senza assicurare delle ottime
prestazioni durante il transitorio
– azionamenti che oltre a rispettare il set di velocità assicurano un buon comportamento del
motore durante il transitorio. Questi azionamenti regolano oltre alla velocità anche la
coppia.
Azionamenti per motori in corrente continua
Nei motori a corrente continua sia lo statore che il rotore sono percorsi da una corrente continua e
generano dei campi magnetici che interagendo provocano il movimento del rotore.
La velocità di un motore in corrente continua è determinata dalla relazione seguente:
(a)
n = (V – R*Ir)/ Φ
Dalla relazione (a) evince che la velocità può essere variata agendo sui seguenti parametri:
– tensione V di armatura (rotore)
– la corrente di eccitazione variando il campo Φ
Quando si modula la velocità occorre rispettare i seguenti limiti:
– la corrente d'armatura non deve superare il valore massimo, corrente nominale
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– Il flusso non deve superare il valore nominale per il quale è stata calcolata la velocità e la
corrente nominale
– la tensione d'armatura non deve superare il valore nominale a cui corrisponde la corrente
nominale
Durante la fase di avviamento per limitare la corrente d'armatura occorre che il flusso d'eccitazione
sia mantenuto al valore nominale mentre la tensione d' armatura è aumentata gradatamente fino a
raggiungere il valore nominale. Con il procedimento descritto la corrente d'armatura assume un
valore costante e conseguentemente la coppia presentata dal motore è costante. Questa modalità di
funzionamento è detta a coppia massima disponibile costante C= cost.
In questa modalità di funzionamento la potenza meccanica P= C*v cresce linearmente con la
velocità. Quando la tensione d' armatura ha raggiunto il valore nominale un ulteriore aumento di
velocità può essere ottenuto deflussando il campo ma così la coppia si riduce quindi la potenza
meccanica in questa modalità di funzionamento resta costante e s i definisce funzionamento a
potenza costante.
C
P
nmin
nnom nmax
n
A seconda dell' utilizzo del motore si adopererà una modalità di funzionamento a coppia costante o
a potenza costante.
Se si l' azionamento deve far lavorare il motore a velocità costante indipendentemente dal carico si
adotta come variabile manipolata la corrente d' armatura Ia che è direttamente proporzionale alla
coppia Il motore è alimentato da un generatore di corrente che eroga una corrente variabile
determinata per mantenere la velocità costante indipendentemente dalla coppia richiesta.
Azionamenti per motori asincroni
Un motore asincrono è costituito da uno statore percorso da una corrente alternata che tramite i
propri avvolgimenti genera un campo magnetico rotante e da un rotore nei cui avvolgimenti è
indotta una corrente. Il campo magnetico rotante interagisce con il campo magnetico indotto
producendo il movimento del rotore. Il rotore gira ad una velocità inferiore a quella dello statore e
la differenza tra la velocità di rotore e quella del campo rotante statorico è detto scorrimento s
Le relazione che permette di determinare la velocità di un motore asincrono è la seguente:
n=(120* frequenza della tensione di statore)*(1-s)/numero poli
Per modulare la velocità di un motore asincrono si varia la frequenza ma al crescere della frequenza
diminuisce il flusso quindi la coppia. Per mantenere il flusso costante al variare della frequenza
occorre mantenere costante il rapporto tensione/frequenza (V/f), in questa modalità di
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funzionamento il motore presenta una coppia pari alla coppia massima e la potenza meccanica
aumenta linearmente con la velocità. Se si aumenta la frequenza mantenendo costante la tensione la
coppia presentata dal motore diminuisce perché diminuisce il flusso.
Modulando la frequenza della forma d'onda d'uscita dall' inverter si ottiene il funzionamento dei
motori asincroni nei quattro quadranti permettendo variazioni di velocità, inversioni del senso di
rotazione e frenature con maggior robustezza , minor costo e maggiore affidabilità dei motori in
corrente continua. I motori asincroni differentemente dai motori in continua presentano una velocità
funzione del carico e un range di variazione della velocità inferiore. Per i motori asincroni le
relazioni che legano la corrente statorica alla coppia sono più complesse pertanto più difficile da
controllare. Odiernamente i controlli più utilizzati sono quelli ad orientamento di campo indiretto
che permettono di controllare flusso e coppia indipendentemente.
Applicazioni tipiche
Motorizzazioni per trattamenti di fluidi
In queste applicazioni la coppia resistente cresce fortemente con la velocità. Non sono richieste
prestazioni dinamiche. I motori più utilizzati sono gli asincroni con modulazione di velocità tramite
la frequenza.
Motorizzazioni per trazioni
Tali applicazioni richiedono variazioni di velocità in range notevoli a potenza costante. La soluzione
più diffusa per questo tipo d'impiego è il motore in corrente continua.
Motorizzazioni per macchine manifatturiere normali
In queste applicazioni è richiesta una coppia costante e un ampio range di variazione della velocità.
La soluzione più impiegata è il motore in corrente continua.
Motorizzazioni per macchine manifatturiere speciali
In questa applicazione è richiesta un ampio range di variazione della velocità una variazione della
coppia e buone prestazioni dinamiche. Per questi impieghi sono utilizzati motori in corrente
continua.
Motorizzazioni per moti incrementali
In queste applicazioni l' esigenza principale è di arrestare il motorie in particolari posizioni senza
particolari esigenze dinamiche. Per questi impieghi sono utilizzati motori in corrente continua con
retroazione di posizione
Dimensionamento
Il progetto dell' azionamento inizia con la determinazione del tipo di azionamento e termina con il
dimensionamento dell' azionamento. Il tipo di azionamento è determinato da risultato di tre analisi
– 1scelta della tipologia
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– 2 scelta del costruttore
– 3 scelta del modello
La determinazione del tipo di azionamento è compiuta in funziona delle caratteristiche della
movimentazione richiesta. Di seguito sono elencati dei criteri di massima:
• variazione di velocità:
1. motori asincroni con inverter
2. motori in corrente continua per basse potenze
• regolazioni di velocità
1. motori asincroni con inverter vettoriali
2. motori in corrente continua
• regolazione di posizione
1. per prestazioni dinamiche non elevate motori asincroni con inverter V/f
2. motori in continua a magneti permanenti
La scelta del costruttore è effettuata in funzione della rapporto costo-prestazioni e della disponibilità
e assistenza.
Dimensionamento motore asincrono:
Dopo avere definito il tipo di motore che si utilizzerà per l'azionamento e la modalità di
funzionamento con cui sarà adoperato il motore scelto occorre calcolare la potenza del motore
necessaria.
Il calcolo della potenza del motore in chilowatt è effettuato conoscendo il carico meccanico
(Coppia) C in chilogrammi a cui sarà sottoposto l' azionamento, la velocità massima e media
richiesta al motore v in metri al secondo , il rendimento delle parti meccaniche soggette al
movimento η, N il numero di pulegge ed il coefficiente di sicurezza X per eventuali sopraccarichi
C∗v
∗X
102∗∗N
Per un impianto con portata 320Kg, velocità 0,70 m/s, corsa 30 m, 3 funi, 1 puleggia di rinvio, un
rendimento meccanico η = 0.8, un coefficiente di sicurezza X =1.1 otteniamo i seguenti risultati:
C = Portata*0,5 + peso funi*corsa = 160+(0,37*30*3) = 193Kg
193∗0.7
P=
∗1,1=1.81 kW
102∗0.8
Tramite il calcolo della potenza del motore potremo scegliere il motore giusto per il nostro
azionamento. Dal catalogo del motore si otterrà il valore della corrente d' avviamento necessaria per
definire l' inverter che utilizzeremo.
P=
Dimensionamento dell' inverter:
Nel caso il nostro impiego è tale da prevedere l' utilizzo di un motore in corretene alternata dovremo
dimensionare l' inverter destinato a pilotare il motore. L' inverter è scelto in funzione dei seguenti
parametri:
– coppia di avvio
– masse volaniche dell' argano e del motore
– tipo di motore
– accelerazioni richiesta
– correnti d' avviamento che è 1.5 o 2 volte la corrente nominale del motore
– temperatura di funzionamento
– frequenza di commutazione. Quando il componente elettronico commuta, esiste un
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intervallo di tempo, detto tempo di commutazione, durante il quale sia la corrente che lo
attraversa che la tensione ai suoi terminali, sono diverse da zero. La potenza dissipata
durante la commutazione è notevole la potenza dissipata durante la commutazione, proprio
perché costante ad ogni commutazione, risulta proporzionale alla frequenza
Per dimensionare un inverter consideriamo la corrente nominale e quella di avvio del motore scelto,
infatti l' inverter deve essere capace di erogare la corrente d'avvio richiesta dal motore scelto per
l' azionamento. Supponendo di avere un impianti col le seguenti caratteristiche:
Velocità 1,6 m/s
Portata 1000Kg
Potenza motore 14kW
un temperatura di lavoro 50°C
una frequenza di lavoro circa 12kHz per ridurre la rumorosità
e di avere selezionato un motore tipo 270172
Corrente nominale 29A
Corrente di avviamento necessaria 58A
Per l'impianto sopra detto risulta adeguato un inverter con le seguenti caratteristiche:
Potenza inverter 22kW
corrente nominale erogabile 50A
corrente di avviamento 75A
con frequenza di commutazione 12 kHz una riduzione di corrente 15%
con temperatura ambiente 50°C una riduzione di corrente 10%
con una regolazione con encodere una riduzione di corrente 5%
.Considerando che nelle condizioni di lavoro richieste dall' impianto l' inverter presenta una
riduzione complessiva della corrente pari a 30% le correnti reali gestibili dall' inverter sono
corrente nominale 37.5 A e corrente d' avviamento 52.5 A quindi sufficienti a pilotare il motore
scelto per l'azionamento.
Dimensionamento motore in corrente continua:
La scelta della taglia di un motore a corrente continua avviene in base alla coppia motrice
ed alla velocità che esso deve sviluppare. Occorre pertanto conoscere le caratteristiche
del carico movimentato, in pratica la sua caratteristica meccanica. La potenza nominale del motore
è il prodotto della coppia nominale per la velocità angolare nominale. Occorre poi sapere il tipo
di movimentazione: continuo, intermittente e verificare che i punti di funzionamento del sistema
cadano all'interno del campo di lavoro del motore. Il campo di lavoro del motore è un insieme di
curve nel diagramma Coppia- velocità, che delimitano le diverse zone di funzionamento del
motore.
Supponiamo di voler dimensionare un motore in corrente continua per una gru che solleva un carico
di 10 tonnellate con una velocità di 0,25 m/s. Si supponga che la parte meccanica abbia un
rendimento di 65%. e che il cavo è avvolto in un tamburo di 25 cm di diametro.
La potenza meccanica del motore durante una movimentazione in salita la determino con la
seguente relazione:
Pmecc = Carico * v = (10000 * 9,8 ) * 0,25 = 24500 W
Pn = Pmecc/η = 24500 / 0,65 =37692 W
La velocità nominale del motore durante una movimentazione in salita del carico la determino nel
modo seguente:
Ώn = v/r = 0,25 / 0125 = 2 rad/s
Mediante il valore della velocità angolare del motore e della potenza posso determinare la coppia
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del motore dalla relazione P = C * Ώ
Cn = Pn / Ώn = 37692/2 =18846 Nm
La potenza meccanica del motore durante una movimentazione in discesa supponendo di utilizzare
una velocità di 0,3 m/s la determino con la seguente relazione:
Pmecc = Carico * v = (10000 * 9.8 ) * 0.30 = 29400 W
Pn = Pmecc * η = 29400 * 0.65 =19110 W
La velocità nominale del motore durante una movimentazione in discesa del carico la determino nel
modo seguente:
Ώn = v/r = 0,3 / 0125 = 2.4 rad/s
Mediante il valore della velocità angolare del motore e della potenza posso determinare la coppia
del motore dalla relazione P = C * Ώ
Cn = Pn / Ώn = 19110/2,4 =1962,5 Nm
I due punti di lavoro determinati si riportano nel diagramma Coppia – velocità e si sceglie il motore
in modo che tali punti appartengano agli stati di lavoro consentite dal motore.
Dimensionamento dell' Driver per il pilotaggio del motore:
Dopo aver determinato il motore si può dimensionare il drive adibito ad alimentare il motore.
Il Drive è scelto in funzione della potenza del motore e della corrente nominale del motore.
Si consideri che i motori in continua durante la fase di avviamento sono attraversati da una corrente
elevata detta corrente d'avvio. Per un corretto dimensionamento del drive nella tabella delle
grandezze caratteristiche è riportata la corrente massima che può generare il drive per un intervallo
di tempo indicato.
Esempio:
Imax = Inom x 1.5 x 30 sec
La configurazione di controllo più utilizzata e quella ad eccitazione indipendente. In tale
configurazione la curva caratteristica meccanica del motore è una retta che interseca gli assi C e Ω
nei punti C=Va * Φ/Ra e Ω =Va/ Φ quindi agendo sulla tensione Va e sul flusso si riesce a variare la
velocità e la coppia del motore.
Se si varia la tensione di armatura Va si ottiene una variazione della velocità del motore descritta nel
diagramma coppia-velocità da una famiglia di rette parallele
C V2 > V1
V
1
V1
ω
Se si vari il flusso si ottengono variazioni della velocità e della coppia descritti nel diagramma
coppia-velocità con delle rette che variano la loro pendenza come il quadrato di Φ
C
V2 >> V
Φ2
Φ1
1
Φ1
ω
Motori elettrici Ing. Antonio Nicolazzo
Per applicazioni che utilizzano un range di variazione della velocità molto ampio si possono
adoperare le variazioni sia della tensione di armatura che di flusso. Per velocità inferiori a quella
nominale si varia la tensione di armatura ottenendo un funzionamento a coppia costante mentre per
funzionamenti con velocità superiore a quella nominale si agisce diminuendo il flusso ottenendo un
comportamento a potenza costante.
C
Coppia
costante
Potenza
costante
ωn
ω
Motori elettrici Ing. Antonio Nicolazzo
