Introduzione - Digilander

Introduzione
Il motore elettrico è una macchina (generalmente rotante) che trasforma energia elettrica in energia meccanica. L’idea di applicare le
azioni elettrodinamiche ed elettromagnetiche per produrre un lavoro meccanico risale ai primi decenni dell’ottocento, subito dopo
l’enunciazione delle leggi di Ampère. I primi esperimenti pratici furono quelli di N. H. Jacobi che, nel 1834, per mezzo di un suo motore
formato da sistemi di elettromagneti ed alimentato da batterie mosse un battello sul fiume Neva, e di S. Stratingh che nel 1835 riuscì a
comandare un piccolo carrello. Questi tentativi cozzarono soprattutto contro il costo proibitivo dell’energia elettrica necessaria che,
allora, veniva prodotta unicamente per via chimica. Inoltre questi motori, nonostante i successivi miglioramenti, davano coppie
pulsanti.
Il primo motore elettrico efficiente e completo fu inventato da Antonio Pacinotti che costruì nel 1860-1864 la cosiddetta “macchinetta
elettromagnetica” con indotto ad anello e collettori a lamelle (da lui detti commutatori) e di cui annunciò anche la possibilità di
funzionamento quale generatore di corrente continua, aveva così inizio l’esistenza del fortunato motore a corrente continua. E’ il caso
di ricordare che nello sfruttamento industriale che ne fece in seguito il belga Z. T. Gramme, che si attribuì furbescamente l’invenzione,
la macchina era usata solo come generatore e solo dopo esserne stata confermata la reversibilità (per un accidentale errore di
manovra di un operaio nel 1873) venne diffusa industrialmente come motore.
Intanto si era notato che anche il generatore sincrono di corrente alternata è reversibile, dando così origine al motore sincrono. Questo
motore può però funzionare soltanto ad una determinata velocità e non è autoavviante. Per queste ragioni tale motore non ebbe vasta
applicazione ed è tuttora usato solo per scopi speciali.
Di importanza decisiva fu invece l’invenzione del motore ad induzione, detto anche motore a campo rotante o motore asincrono. Fu
Galileo Ferraris (professore di Fisica Tecnica al Regio Museo Industriale di Torino, oggi Politecnico) che nel 1885 scoprì teoricamente
e verificò sperimentalmente la possibilità di produrre per via statica (mediante elettromagneti opportunamente disposti ed
opportunamente eccitati con correnti alternate isofrequenziali) un campo magnetico rotante. Ferraris costruì da subito i primi modelli di
motore asincrono e, lasciando generosamente di dominio pubblico la sua invenzione, ne permise un rapido sviluppo. Tale sviluppo da
allora non si è più arrestato ed ha portato il motore asincrono ad essere oggigiorno la principale macchina motrice. Le ultimissime
tecniche di azionamento mediante inverter stanno addirittura permettendo l’impiego di questo motore anche in quegli ambiti che fino a
pochi anni fa erano dominati dalle macchine in corrente continua, infatti il motore asincrono rimane insuperabile per la sua semplicità
costruttiva, per la sua ridotta necessità di manutenzione e quindi per la sua economicità di esercizio.
Principio di funzionamento del MAT
(figura 1, parti essenziali e principio di funzionamento del MAT)
La figura 1 mostra a sinistra le principali parti costituenti un normale motore asincrono, con particolare riferimento al motore con rotore a gabbia. Il
disegno è una vista in sezione del motore, col piano di sezione normale all'asse longitudinale della macchina (asse dell'albero del motore). Non sono
quindi rappresentate le due calotte che completano la chiusura protettiva ed i cuscinetti che sostengono l'albero tenendolo centrato sull'asse di
rotazione. Inoltre per lo statore non sono riportati gli avvolgimenti induttori (del tipo aperto per correnti alternate trifase) che generano il campo
rotante, ma è solo riportata la vista a forma di corona circolare di uno dei lamierini ferromagnetici che compongono il pacco statorico per il quale
sono raffigurate le cave (separate da denti) destinate a contenere i conduttori attivi dell'avvolgimento statorico. Per il rotore sono in vista le sezioni
delle barre di alluminio che compongono la gabbia di scoiattolo che costituisce l'avvolgimento d'indotto della macchina (non compaiono gli anelli di
cortocircuito della gabbia stessa) e la vista di uno dei lamierini del pacco rotorico.
La parte destra della figura 1 riassume invece il principio di funzionamento.
Gli avvolgimenti trifasi statorici, alimentati da una terna trifase di tensioni, sono percorsi da una terna trifase di correnti sinusoidali e generano un
campo magnetico rotante di intensità B [Wb/m2] la cui velocità n1 [g/1'] dipende dalla frequenza di alimentazione f1 [Hz]e dal numero p di coppie
polari secondo la relazione:
Immaginando inizialmente il rotore fermo, n2 = 0 , tale campo rotante, bipolare nella rappresentazione, taglierà trasversalmente i conduttori attivi
rotorici raffigurati che costituiscono i lati attivi di una spira chiusa in cortocircuito. Nella spira si svilupperà, grazie alla legge generale
dell'induzione elettromagnetica, una forza elettromotrice indotta che farà circolare una corrente I2 col verso di figura. Tale corrente interagirà col
campo magnetico rotante induttore dando luogo a delle forze elettromagnetiche di intensità Fe dirette in modo tale da formare una coppia motrice
CM. 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 di 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. 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 e che quindi permanga la piccola coppia motrice
necessaria a vincere la coppia resistente.
Se, col motore alimentato (e quindi col campo rotante induttore presente) e funzionante a vuoto, si applica una coppia frenante 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.
Struttura del motore asincrono trifase
La struttura generale di una macchina asincrona trifase è la seguente:
-
Cassa statorica: ha la funzione di contenere le parti interne della macchina, protegge tali parti da agenti esterni,
permette il fissaggio della macchina al piano di supporto, deve resistere alle sollecitazioni meccaniche trasmesse dalle parti
interne;
Morsettiera: serve per il collegamento al circuito esterno;
Circuito magnetico statorico: qui si sviluppa il campo magnetico di statore;
Avvolgimento statorico: è formato da tre fasi e ha il compito di creare il campo magnetico che consente il
funzionamento della macchina;
Circuito magnetico rotorico: è collegato all’albero rotante ed è separato dallo statore dal tra ferro; in esso si sviluppa il
campo magnetico di rotore;
Avvolgimento rotorico: costituisce l’avvolgimento indotto che sviluppa la coppia motrice della macchina;
Albero meccanico: serve per il collegamento al carico, è montato su dei cuscinetti che gli permettono di ruotare;
Ventola di raffreddamento: ha la funzione di attivare la circolazione dell’aria sulle parti in cui si sviluppa calore.
Motore asincrono trifase e numero di giri
Il motore asincrono ideale ruota a velocità angolare costante e indipendente dalla coppia resistente applicata. In realtà se con f indichiamo la
frequenza della rete di alimentazione (50Hz), con p il numero di coppie polari e con s lo scorrimento, il numero di giri è esprimibile come:
(1)
Se infatti definiamo con:
n1 la velocità di rotazione del campo magnetico rotante
n2 la velocità di rotazione del rotore
è possibile introdurre lo scorrimento s:
(2)
da cui:
(3)
e quindi:
(4)
Essendo però:
(5)
si ottiene per il numero di giri del motore:
(6)
Fig. 1: Caratteristica meccanica di un motore elettrico
Caratteristiche tecniche
Specifiche tecniche
Affinché un motore sia specificato in modo corretto è necessario prendere in considerazione i seguenti punti:
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Settore di impiego
Potenza e velocità richiesta
Tipo di montaggio
Alimentazione
Cuscinetti
Verniciatura
Prove di funzionamento
Isolamento
Settore di impiego
L'ultima edizione della norma CEI 70-1, corrisponde alla norma europea EN 60529 "Gradi di protezione degli involucri (Codice IP)", classifica gli
involucri mediante una sigla composta dal codice IP (International Protection), da due cifre, aventi il seguente significato:
prima cifra caratteristica: indica sia il grado di protezione relativo al contatto con parti pericolose sia quello contro l'accesso di corpi solidi
estranei;
seconda cifra caratteristica: indica il grado di protezione che l'involucro offre contro la penetrazione di liquidi, importante per componenti posti in
luoghi umidi o bagnati, per quelli installati all'aperto o immersi in un liquido, al fine di evitare guasti dovuti all'infiltrazione;
Potenza e velocità richiesta
La scelta della potenza elettrica viene effettuata in base a considerazioni meccaniche.
La velocità del motore invece dipende dal numero di poli e dalla frequenza di alimentazione in base alla seguente tabella:
50 Hertz 60 Hertz
2 Poli
2880 rpm 3460 rpm
4 Poli
1440 rpm 1750 rpm
6 Poli
960 rpm
1150 rpm
8 Poli
720 rpm
860 rpm
10 Poli 580 rpm
690 rpm
12 Poli 480 rpm
570 rpm
Tipo di montaggio
Le tipologie di montaggio più comuni sono le seguenti
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Basamento orizzontale (B3) IM1001
Flangia orizzontale (B5) IM3001
Flangia e basamento orizzontale (B3/B5) IM2001
Flangia verticale (V1) IM3011
Alimentazione
La corretta tensione di alimentazione è importante perché può cambiare le caratteristiche del motore. Per esempio se la tensione diminuisce del 5%
la coppia di spunto del motore diminuisce del 10% e ciò significa che il motore non riesce a sviluppare una sufficiente coppia per partire.
La tolleranza della tensione di alimentazione del motore deve essere dichiarata, per esempio +/- 10%; ciò assicura che il motore funzionerà
correttamente nell'intervallo di tensione stabilito.
La frequenza della tensione di alimentazione è un altro parametro che deve essere dichiarato perché essa modifica la velocità.
Cuscinetti
Le caratteristiche dei cuscinetti richiedono la definizione della marca, del tipo a sfera o del tipo a rullini e del metodo di ingrassaggio
Verniciatura
Le caratteristiche di verniciatura sono importanti nelle applicazioni nei settori della chimica e deve essere definito il tipo di vernice la marca e il
colore finale
Prove di funzionamento
Bisogna definire se le prove sono di routin oppure prove che ne verificano le prestazioni complete
Isolamento
Questo parametro serve a definire la temperatura massima sopportabile dal motore perché influenza la durata del motore stesso.
La seguente tabella illustra i tipi di isolamento
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A Classe 105
E Classe 120
B Classe 130
F Classe 155
H Classe 180
Il valore standard è di classe F
Esempio: Caratteristiche tecniche del motore di un cancello
Motore monofase
2 poli
220 V ~
50 Hz ± 10%
assorbimento a vuota 0.33 A con condensatore da 4 µ F
130 W
2800 rpm
protetto da disgiuntore termico
forza di spinta 350 kg con condensatore da 4 µ F
Esempi Applicativi
I motori asincroni monofasi trovano vaste applicazioni nel campo delle macchine utensili, pompe, ventilatori elettrodomestici con potenze fino a
qualche kilowatt. La loro preferenza rispetto ai motori trifasi è dovuta alla possibilità di alimentazione con una linea monofase di cui ogni utente è
provvisto. Un campo in cui viene quasi esclusivamente impiegato il motore monofase con condensatore permanente è quello delle lavabiancheria. I
motori installati in tali elettrodomestici sono in genere realizzati con doppio avvolgimento statorico, uno con elevato numero di poli e l'altro con soli
due o quattro poli. Ciò consente di avere con lo stesso motore due velocità di lavoro necessarie per le fasi di lavaggio (bassa velocità) e di
centrifugazione (alta velocità).
Simboli UNI
Motore monofase a commutatore.