MOTORI ASINCRONI TRIFASI

CARATTERISTICHE GENERALI

Il motore è una macchina che trasforma energia elettrica in energia meccanica, cioè in lavoro.
Un motore asincrono trifase è costituito, nella forma più semplice, da un induttore (parte fissa del motore detta statore) formato da tre avvolgimenti disposti a 120° l’uno dall’altro e da un indotto (rotore) con una struttura a gabbia, nota come gabbia di scoiattolo la quale va vista come un insieme di spire poste sequenzialmente l’una all’altra. In pratica il circuito rotorico è costituito da  tante sbarre conduttrici le cui estremità sono collegate tra loro  in cortocircuito per mezzo di due anelli di rame o di alluminio.

 

Funzionamento:

Alimentando lo statore, collegato a stella, con una tensione trifase, si può dimostrare che al suo interno, dove si trova il rotore, si genera un campo magnetico rotante, con frequenza di rotazione uguale a quella della tensione di alimentazione.

Le linee di flusso del campo magnetico rotante tagliano le sbarre della gabbia e in queste  si generano delle correnti indotte I2 che si richiudono attraverso gli anelli frontali. Questo sistema di correnti indotte  risulta a sua volta immerso nel campo magnetico rotante che le genera, il quale esercita su di esse (cioè sulle sbarre della gabbia) un complesso di forze magnetoelettriche F , costituenti nel loro insieme una coppia che trascina il cilindro (la gabbia) e dunque l’asse del motore ad essa connessa, in rotazione nello stesso verso del campo rotante induttore.

La velocità del rotore non potrà mai raggiungere la velocità di rotazione del campo rotante in quanto se ciò avvenisse non si avrebbe attraverso le spire del rotore nessuna variazione di flusso e quindi non ci sarebbero neppure correnti indotte.
Per tale ragione il motore viene detto asincrono.

Per questo motivo, il numero di giri del rotore nr (velocità effettiva di rotazione del motore) è sempre più basso del numero di giri del campo rotante nf ( velocità di sincronismo o del campo rotante)
La differenza fra i numeri di giri del campo rotante e quella del rotore prende il nome di numero di giri  scorrimento.
ns   =  nf  -  nr                       

Lo scorrimento è il rapporto tra il numero di giri di scorrimento e il numero di giri del campo rotante e viene tipicamente espresso in percentuale .

                                                          s%  =   100 (nf – nr)                        
                     nf
Esso rappresenta il numero di giri che il rotore perde per ogni cento giri del campo rotante.
Dalla precedente relazione, noti s ed nf , si determina facilmente la velocità effettiva di rotazione del motore

                                                             nr  =  nf  ( 1 - s )

Un motore asincrono con struttura più complessa di quella descritta, ad esempio avere un avvolgimento statorico di tipo multipolare ; in tal caso la velocità di sincronismo è espressa dalla relazione

                                                               ns =  60 * f  
p
con p numero di coppie di poli.

La caratteristica meccanica rappresenta l'andamento della coppia motrice C in funzione della velocità di rotazione del rotore nr

 

 

 

La caratteristica meccanica si può anche rappresentare in funzione dello scorrimento s; ricordiamo che scorrimento s uguale a 1 vuol dire motore fermo; scorrimento uguale a zero vuol dire che la velocità è la massima, quindi quasi uguale a quella di sincronismo.

 

 

 

 

Questa caratteristica ci dice che quando il motore gira con velocità elevata, cioè prossima alla velocità di sincronismo ns, la coppia è molto elevata; in tal caso  lo scorrimento è quasi nullo.
Quando invece lo scorrimento aumenta e raggiunge il valore 1, la coppia motrice si riduce e il motore rallenta; per cui occorre evitare che il motore funzioni nel tratto a-b, che è un tratto instabile; infatti, in tale tratto se aumenta il carico meccanico il motore rallenta, cioè aumenta la scorrimento rispetto alla velocità di sincronismo, ma si riduce anche la coppia motrice, per cui il motore non sarebbe in grado di aumentare la sua velocità ma si porta a fermarsi, in quanto la coppia motrice si riduce.
Invece il tratto 0-a è un tratto stabile; infatti all'aumentare del carico nel tratto 0-a è vero che aumenta lo scorrimento, e quindi il motore rallenta, ma aumenta pure la coppia motrice, per cui il motore asincrono è in grado di sopportare l'aumento di carico meccanico.

Morsettiera e collegamenti

La morsettiera di alimentazione, a 6 morsetti, è di norma posta sul lato superiore della carcassa, lato comando, all'interno di una scatola in metallo. Su richiesta è possibile avere la scatola morsettiera sul lato destro o sinistro.
Il morsetto di terra si trova all'interno della scatola morsettiera; sulle grandezze 180 e superiori è presente anche un morsetto supplementare esterno.

Sono possibili i collegamenti di alimentazione (triangolo) e Y (stella) come mostrano gli schemi.

 

Tensioni e frequenze di alimentazione

Di norma, i motori della serie LR sono costruiti per essere alimentati con tensione 230 / 400Y V @50Hz per potenze fino a 5.5 kW, e per tensione 400 / 690Y V @50Hz per le potenze superiori. Per i valori nominali di tensione e frequenza sono ammissibili variazioni ± 5%.

Tensioni e/o frequenze speciali sono realizzabili a richiesta.

 

AVVIAMENTO  STELLA - TRIANGOLO

DEI MOTORI ASINCRONI A GABBIA

Si utilizza per motori di potenza fino a 20 [KW] ed aventi l'avvolgimento statorico collegato con le fasi a triangolo nel funzionamento normale. Si presta solo per avviamenti a vuoto essendo la coppia di spunto notevolmente ridotta.

Il motore asincrono con rotore a gabbia di scoiattolo, ha il pregio fondamentale della semplicità e della robustezza, ma se ha un funzionamento perfetto in regime di marcia normale, presenta qualche inconveniente all’atto dell’avviamento.

Infatti, all’atto dell’avviamento (per i motori a gabbia si dice avviamento in corto circuito), quando il rotore è ancora fermo le f.e.m. indotte nelle sbarre della gabbia sono tali da far circolare nelle sbarre stesse delle correnti molto più intense che nella marcia normale ( pari a 4 – 8 volte la corrente nominale). Di conseguenza anche nello statore allacciato alla linea circolano delle correnti d’intensità proporzionali.

L’elevata corrente di spunto Is = 4÷8 volte In , può provocare delle dannose cadute di tensione                      ( DV = K L I) dove K è la c.d.t. unitaria, sia sulla linea di alimentazione che al circuito di comando che comanda il motore (la c.d.t. non deve superare il 10% per avere una chiusura sicura dei contattori e dei relè) e sollecitazioni termiche notevoli per l’impianto (cavi, interruttori ecc.). Infatti, in condizioni nominali la potenza dissipata vale                           dove In è la corrente nominale del motore, mentre allo spunto si ha:

 

Quindi si ha una potenza dissipata 49 volte superiore a quella dissipata in condizioni nominali.

 

Per migliorare quindi le condizioni di avviamento del motore asincrono è necessario allora agire in modo da diminuire l’intensità delle correnti di spunto fino a valori tollerabili anche se ciò comporta una riduzione della coppia di spunto (quella che si ha con le fasi collegate a triangolo già bassa in condizioni di funzionamento normale) di 1/3.

La partenza del motore con il metodo stella - triangolo fa si che all’atto dell’avviamento (avviando il motore con il collegamento a stella) il motore presenti una  corrente di spunto, che  va poi rapidamente attenuandosi man mano che il motore accelera. Esso assorbe dalla linea una corrente ridotta di  volte rispetto a quella che avrebbe assorbito avviandolo subito a triangolo. E’ lo stesso dire che la corrente di spunto a stella è ridotta di 3 volte rispetto a quella a triangolo.

 

Infatti, indicando con Is la corrente di spunto con le fasi collegate a triangolo e con I’s la corrente di spunto con le fasi collegate a stella e facendo riferimento alla figura sopra riportata si nota che:
con le fasi collegate a triangolo

 Is =    Ifs      =                        collegamento fasi a triangolo
e
collegamento fasi a stella

per cui se

 

allora  I’s  sarà:

ossia la corrente di spunto con le fasi collegate a stella riduce la corrente di spunto con le fasi collegate a triangolo di 3 volte.
La coppia di spunto ( è la coppia che agisce all’avviamento quando il numero di giri del motore è zero), legata praticamente al quadrato della tensione, risulta anch’essa teoricamente ridotta di 3 volte rispetto alla coppia che lo stesso motore fornirebbe, avviato a triangolo.

                                                                                                                    K è una costante che dipende dalle                                                                                   caratteristiche del motore

L’istante oltre il quale conviene effettuare la commutazione a triangolo viene determinato sperimentalmente: occorrerebbe che la corrente assorbita dal motore nel momento della commutazione non superasse quella assorbita nell’istante iniziale dell’avviamento a stella. (Vedi figura1)

Perché si impiega l’avviamento stella-triangolo  utilizzando motori, che in condizioni normali di funzionamento hanno gli avvolgimenti collegati a triangolo e che assorbono una corrente 3 volte superiore a quella del collegamento degli avvolgimenti a stella se poi deve essere utilizzato con carichi piccoli o addirittura a vuoto? Non si potrebbero utilizzare motori con gli avvolgimenti collegati a stella che funzionerebbero, nelle stesse condizioni, egregiamente e si risparmierebbe anche energia viste le correnti più ridotte che circolerebbero?
Si usa questo collegamento, per i motori che in funzionamento normale hanno gli avvolgimenti collegati a triangolo  perché possono, una volta in funzionamento normale, sopportare carichi maggiori avendo una coppia più elevata cosa che non potrebbero fare i motori con avviamento a stella

 

 

 

Figura 1) Andamenti delle coppie e delle correnti assorbite nel collegamento a stella e nel collegamento a triangolo. I valori a stella sono ridotti di 1/3 rispetto a quelli a triangolo. La linea tratteggiata segnala l’istante a cui corrisponde la velocità per la quale converrebbe effettuare la commutazione a triangolo.

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Si sappia che i metodi utilizzati comunemente per ottenere questi risultati sono:

• avviamento stella – triangolo (all’avviamento ogni fase viene alimentata con una tensione  3 volte minore della tensione di linea; dopo l’avviamento ogni fase viene alimentata da tutta la tensione di linea).
• avviamento a impedenze statoriche (si inseriscono delle resistenze sulla linea di alimentazione del motore per ridurre la tensione applicata al motore)
• avviamento con autotrasformatore ( si alimenta il motore con un autotrasformatore a prese multiple. All’avviamento si alimenta il motore con la presa che dà la tensione minore, poi man mano che il motore accelera si passa alla tensione normale.)
• avviamento elettronico (detto anche statico)

 

Come già detto, l’avviamento dei M.A.T. con tensione ridotta è applicabile solo a motori che si avviano a vuoto in quanto con la diminuzione delle correnti, la coppia di spunto diviene piccolissima
Quando invece si vuole realizzare una coppia di spunto elevata non si può più utilizzare questi sistemi, pertanto si impiegano motori con rotore a doppia gabbia che all’avviamento aumentano la resistenza ohmica dei circuiti rotorici per poi diminuirla gradualmente. Questo fatto consente di diminuire le correnti all’avviamento e nel contempo aumentano la coppia di spunto.

 

 

 

Considerazioni finali

La scelta dell’avviatore stella-triangolo viene fatta principalmente per ragioni tecniche ed economiche.
Dal lato tecnico abbiamo visto le caratteristiche positive dell’avviatore:
- Avviamento dolce
- Basse correnti di spunto e conseguentemente basse cadute di tensione in linea.

Esistono purtroppo anche dei riscontri negativi:
- Non idoneo per tutti i motori
- Inadatto per motori con partenza sotto forte carico

Dal lato economico i vantaggi sono evidenziati dal sottodimensionamento dei contattori e del relè termico rispetto alla corrente di linea "Ie".

Fonte: http://s4458523b90cc6aef.jimcontent.com/download/version/1446538749/module/3600627156/name/Motori%20e%20avv.%20stel.triang.doc

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MOTORI ELETTRICI

Motori asincroni - Collegamento unica polarità - Collegamento doppia polarità - Calcolo della corrente - Relazione tra cavalli vapore e chilowatt - Rendimento - Cambio frequenza - Suggerimenti - Altri motori - Calcolo del condensatore per alimentazione monofase - Note personali

MOTORI ASINCRONI TRIFASE   I motori elettrici più utilizzati sono quelli asincroni trifasi a gabbia di scoiattolo. Possono avere forme e dimensioni differenti a seconda della potenza, della casa costruttrice e dal tipo di applicazione.     Nella figura sono riportate le forme costruttive dei motori più comuni. I motori possono essere costruiti con tecnologie differenti per adattarli al tipo di ambiente di lavoro. Ad esempio esistono i motori detti "tropicalizzati" che vengono utilizzati principalmente dove le condizioni di lavoro sono critiche (ad esempio dove la temperatura in cui lavorano è estremamente alta, oppure su applicazioni dove si richiede uno sforzo costante del motore e quindi un riscaldamento eccessivo). Oltre per forme costruttive, i motori vengono divisi anche per grandezze che indicano la dimensione del motore (gr.63 - 71 - 80 - 90, ecc.). Qundo si acquista un motore i dati principali da considerare sono: La tensione applicata V (es. trifase 220-380V) La potenza del motore espressa in Kw o HP (es. 0,18 - 0,37 - 0,75 Kw) Il numero di giri g/m (es. 1400g/m più utilizzato) La grandezza GR (es. gr71 - 80 - 90) La forma costruttiva (es. B14 - B5 - B3) Eventuali applicazioni particolari (es. autofrenante, tropicalizzato, ecc.) Le applicazioni particolari possono essere: Tropicalizzato: realizzazione del motore in tecnologia particolare per adattarlo a particolari condizioni di lavoro estremamente critiche (tipo alte temperature) Servoventilato: al posto della tradizionale ventola di raffreddamento viene applicata una ventola elettrica di solito alimentata con tensione uguale a quella del motore. Autofrenante: aggiunta di un freno per far sì che in assenza di tensione il motore si blocchi istantaneamente e ridando alimentazione il freno si sblocca. Generalmente il freno è del tipo elettromagnetico ed è solitamente collegato alla morsettire del motore. Normalmente il freno è sempre inserito in assenza di tensione, inolte è presente anche un foro per lo sbloccaggio manuale (sul retro del motore). Con ruota libera: viene applicata una ruota libera al posto del cuscinetto per far sì che il motore possa girare solo in un senso (ATTENZIONE ALLA POLARITA' QUANDO LO SI COLLEGA) SCHEMI DI COLLEGAMENTI AD UNICA POLARITA' Schemi di collegamento per motori trifasi a 2-4-6-8 poli. Morsettiera a 6 morsetti. Collegamento a Triangolo Collegamento a Stella Schemi di collegamento per motori trifasi a 2-4-6-8 poli. Morsettiera 12 morsetti. Collegamento a Stella Collegamento a doppia Stella Collegamento a Trinagolo Collegamento a doppio triangolo Schemi di collegamenti per motori trifasi a 2-4-6-8 poli. Morsettiera 12 morsetti. Avviamento con commutatore Stella-Triangolo. Collegamento a triangolo Collegamento a doppio Triangolo SCHEMI DI COLLEGAMENTI A DOPPIA POLARITA' Schemi di collegamento per motori trifasi a due velocità, unico avvolgimento, unica tensione, tipo Dhalander. Collegamento 6 morsetti doppia Collegamento 6 morsetti Triangolo Stella per velocità maggiore per velocità minore Schemi di collegamento per motori trifasi a due velocità, doppio avvolgimento, unica tensione. Collegamento 6 morsetti Collegamento 6 morsetti per velocità maggiore per velocità minore Schemi di collegamento per motori trifasi a due velocità, unico avvolgimento, unica tensione, tipo Dhalander. Avviamento a Stella sulla velocità più bassa (Trinagolo). Collegamento 9 mosetti Stella Colelgamento 9 morsetti Triangolo Collegamento 9 morsetti doppia per velocità minore per velocità minore Stella per velocità maggiore Schemi di collegamento per motori trifasi a due velocità, doppio avvolgimento, unica tensione. Collegamento 9 morsetti Collegamento 9 morsetti Collegamento 9 morsetti per velocità minore per velocità minore per velocità maggiore Schemi di collegamento per motori trifasi a due velocità, doppio avvolgimeno, doppia tensione. Collegamento 12 morsetti Stella Collegamento 12 morsetti Collegamento 12 morsetti Stella Collegamento 12 morsetti per velocità maggiore Triangolo per velocità maggiore per velocità minore Trinagolo per velocità minore CALCOLO DELLA CORRENTE 1) Per corrente continua I= 1000 x P x 100 V x h 2) Per corrente alternata monofase I= 1000 x P x 100 V x cos j x h 3) Per corrente alternata trifase I= __1000 x P x 100_ 1,73 x V x cos j x h P=potenza fornita dal motore in KW I=intensità di corrente (A) V=tensione ai morsetti (V) cos j=fattore di potenza h =rendimento % Esempio: Motore acorrente alternata trifase 7,5KW=10,2CV alla tensione di 220V, cos j=0,87 e h 86,5% l'intensità di corrente è: I= _1000 x 7,5 x 100____ = 26A 1,73 x 220 x 0,87 x 86,5 RELAZIONI FRA CAVALLI VAPORE E CHILOWATT CV HP KW Kgm/s 1 1,0139 1,360 0,9863 1 1,341 0,7355 0,7457 1 75 76,05 101,98 RENDIMENTO Il rendimento h, è il rapporto tra potenza utile e la potenza assorbita da una macchina in % h= _potenza assorbita in KW 100 potenza utile in KW Potenza assorbita= 100 x potenza utile h Esempio: Determinare il consumo di potenza di un motore da 15CV con rendimento h=75%. Potenza utile 15CV=0,736 x 15=11,04KW; la potenza richiesta dal motore è quindi: 100 x 11,04 =14,72 KW 75 CAMBIO DI FREQUENZA Quando un motore, costruito per una determinata frequenza, viene inserito su una rete a frequenza diversa, alla medesima tensione, ne vengono modificate le caratteristiche di potenza e velocità. 50HZ 42Hz minore velocità minore potenza 60Hz maggiore velocità =maggiore riscaldamento maggiore potenza Il rapporto fra le frequenze è uguale al rapporto fra le tensioni: per passare quindi da una frequenza all'altra è necessario modificare, nel medesimo rapporto, anche la tensione di alimentazione. Qui sotto è presente una tabella delle tensioni da applicare in rapporto alla frequenza. Frequenza Tensione V 42Hz 50Hz 60Hz 92 110 132 105 125 150 125 150 180 185 220 265 220 260 310 320 380 455 420 500 600 SUGGERIMENTI Quando si collega il motore bisogna controllare la polarità, cioè la sequenza delle fasi applicate alla morsettiera. Per cambiare il senso di rotazione del motore basta invertire due fasi qualsiasi tra loro. Per controllare se un motore è funzionante basta effettuare dei semplici controlli: controllare se il motore è bloccato ruotando l'asse manualmente, a volte è sufficiente cambiare un cuscinetto interno. se nell'ambiente di lavoro c'è presenza d'acqua, controllare se il motore è bagnato internamente o nella scatola della morsettiera. Se si è fortunati basta asciugarlo. Effettuare una prima verifica se il motore è a massa. Utilizzare un tester con la funzione di ohmmetro e con la scala più alta, verificando se tra la carcassa del motore e le tre fasi c'è resistenza. Se il tester non segna alcun valore possiamo essere certi che gli avvolgimenti interni del motore non vanno a terra. Ricordarsi di scollegare i fili prima di procedere alla misurazione. Verificare, sempre con l'ausilio del tester, la presenza di una certa resistenza (uguale per tutti gli avvolgimenti) che sarà di un paio di ohm e che dipende dalla grandezza del motore. Se rileviamo, ad esempio, 43ohm su tutte le tre fasi, il motore è funzionante. Tenete in considerazione una piccola tolleranza tra fase e fase. Se invece rileviamo una notevole differenza tra fase e fase, ad esempio 43 - 50 -20ohm, oppure in una fase non troviamo resistenza, il motore non è riutilizzabile. ALTRI MOTORI DI USO PIU' COMUNE Altri tipi di motori più utilizzati nell'automazione sono quelli MONOFASE, VETTORIALI, BRUSHLESS e quelli IN CONTINUA. Esistono in commercio anche motori con integrato un azionamento per il controllo della velocità. CALCOLO DEI CONDENSATORI PER COLLEGAMENTO MONOFASE Di seguito viene riportata la formula per il calcolo del valore del condensatore da applicare tra due fasi del motore trifase (come disegno), per poterlo collegare con una alimentazione monofase (220V). E' da tener presente che questo sistema di collegamento è valido solo se il motore è predisposto per il collegamento a 220V (lo si può verificare dalla targhetta del motore). C=50 x P x (220/V)2 x 50/f (in µF) Dove P=potenza del motore in CV V=tensione nominale di alimentazione in VOLT f=frequenza nominale in Hz