Il motore asincrono trifase

Il motore asincrono trifase

Introduzione

I motori asincroni trifase possono essere considerati tra le macchine elettriche più affidabili. Essi svolgono la funzione di convertire l'energia elettrica in energia meccanica per molti anni con interventi di manutenzione ridotti e si adattano a prestazioni diverse in base alle esigenze,  coprendo sia applicazioni di produzione sia di servizio trovando quindi impiego nei settori industriali più svariati.

Le applicazioni riguardano quelle macchine con organi in movimento a velocità fissa o variabile quali ad esempio i sistemi di sollevamento come ascensori o montacarichi, di trasporto come nastri trasportatori, i sistemi di  ventilazione e climatizzazione, senza dimenticare forse il più comune impiego come pompe e compressori.

Il Motore Asincrono Trifase, noto anche come MAT, venne per la prima volta realizzato da Galileo Ferraris nel 1885. Esso viene alimentato direttamente dalla rete di distribuzione, a tensione e

frequenza costanti, ed è 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'.

Il MAT è, generalmente, sotto l'aspetto elettrico, un utilizzatore trifase che provvede a convertire energia elettrica in meccanica per azionare meccanismi semplici ed economici, viene alimentato direttamente dalla rete, a tensione e frequenza costanti, e la sua velocità di rotazione è costante.

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 MAT.

Il MAT avendo un funzionamento reversibile, come tutte le macchine elettriche, può funzionare anche da generatore, ma tuttavia è poco usato per questo scopo.

Struttura del motore asincrono trifase

Per meglio comprendere come è strutturato un motore asincrono trifase, di seguito forniamo una breve descrizione delle principali parti che compongono la macchina rotante e nelle quali si generano i fenomeni elettrici da cui ne scaturisce il funzionamento.

Il primo elemento che descriviamo è lo statore che può essere definito come l'insieme delle parti fisse che svolge la funzione di sostenere almeno parzialmente la macchina, ma fondamentalmente costituisce la parte del circuito magnetico che contiene gli avvolgimenti induttori alloggiati in apposite cave in esso ricavate in corrispondenza della sua superficie interna.

Lo statore è costituito da lamierini in lega d'acciaio-silicio o in acciaio massiccio, isolati tra di loro. Dalla sua struttura dipende quanto sia interessato da flussi magnetici variabili nel tempo che provocano perdite per isteresi e per correnti indotte parassite.

Nelle cave ricavate nella struttura dei lamierini sono inseriti tre avvolgimenti primari (ognuno costituito da più bobine diversamente collegate tra loro), ai quali viene applicata la tensione di alimentazione e che generano il campo magnetico.

Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, la cosa è possibile con motori dotati di morsettiera con 6 morsetti, permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di rete differenti.

Il secondo elemento è il rotore che viene posizionato all'interno dello statore, e costituisce il circuito indotto della macchina. Per un motore a gabbia di scoiattolo il rotore è costituito da un sistema di sbarre conduttrici (rame o alluminio) coassiali all'asse di rotazione, e pressofuse direttamente nelle cave ricavate lungo tutta la periferia esterna del nucleo ferromagnetico.

Le sbarre vengono chiuse in cortocircuito da due anelli conduttori posti agli estremi che  costituiscono anche un fissaggio meccanico per le sbarre stesse. Si ottiene così un rotore estremamente compatto e robusto, al quale si fissa anche l'albero del motore.

Il campo magnetico indotto che costituisce il principio di funzionamento del motore, porta quindi in rotazione l'albero del motore convertendo così energia elettrica in meccanica.

Sono presenti altri componenti meccanici che costituiscono il motore, i principali sono:

- i due cuscinetti montati sullo statore con la funzione di sorreggere l'albero del motore;

- la carcassa, che con le alette smaltisce il calore prodotto soprattutto dallo statore e contiene anche la morsettiera di connessione;

- la ventola, che provvede al raffreddamento.

Statore di un motore asincrono trifase

Rotore di un motore asincrono trifase

Rappresentazione d'insieme ed in sezione di un motore asincrono

I dati nominali elettrici e meccanici del motore sono riportati sulla targhetta dati macchina, detta anche targhetta di identificazione.

L'allacciamento elettrico del motore asincrono trifase viene realizzato di norma mediante una morsettiera con sei bulloni di collegamento, come si può vedere nella parte alta della rappresentazione grafica del motore.

Il motore asincrono presenta i seguenti vantaggi:

- basso costo e facile realizzazione;

- basso rapporto peso-potenza (a parità di potenza un motore asincrono trifase pesa circa la 

metà di uno in corrente continua);

- ampia disponibilità di potenze che ne determina l'impiego in diversi campi (dal semplice

elettrodomestico ai macchinari utilizzati nell'industria).

Per contro, il motore asincrono presenta anche alcuni svantaggi:

- le correnti assorbite nella fase di avvio della macchina risultano molto elevate (spunto

iniziale) tanto da determinare in alcuni casi sbalzi di tensione sull'intera linea di

distribuzione dell'energia elettrica;

- la potenza meccanica inizialmente disponibile risulta bassa (a volte anche inferiore a quella

nominale) tanto da rendere difficoltoso l'avvio sotto carico;

- impossibilità di regolare la velocità di rotazione intervenendo sulla sola tensione di

alimentazione o limitando la corrente negli avvolgimenti.

Come funziona

Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la velocità di rotazione dell' albero è minore della velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore, ovvero non c'è sincronismo tra le due velocità; per questo si distingue dai motori sincroni

Lo statore contiene in genere un numero pari di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono 2 per ciascuna fase di alimentazione. Un motore a tre fasi, o trifase, avrà di norma sei avvolgimenti ovvero tre coppie polari.

Nel motore trifase sono disposti tre avvolgimenti di fase, sfasati di 120˚/p (p = numero di coppie di poli) l'uno rispetto all'altro. Applicando una tensione alternata trifase, sfasata di 120˚, si genera un campo rotante nel motore.

La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa n_s legata alla frequenza di alimentazione f, detta velocità di sincronismo. La velocità di rotazione del rotore n_r sarà sempre minore di quella di sincronismo. Questa differenza fa sì che sul rotore agisca un campo magnetico che ruota ad una velocità n_s − n_r, pertanto esso sarà sede di forze elettromotrici e quindi correnti indotte (per questo motivo si parla di motore ad induzione).

Evidentemente le correnti di rotore produrranno a loro volta un campo magnetico che ruota a velocità n_s − n_r rispetto al rotore, il quale ruota a velocità n_r rispetto allo statore; il risultato è che il campo di rotore ruota a velocità n_s rispetto allo statore ed è dunque sincrono con il campo di statore.

Attraverso l'effetto di induzione vengono generati il campo rotante e la coppia nell'avvolgimento rotorico. Il numero di giri del motore dipende dal numero di coppie di poli e dalla frequenza della tensione di alimentazione. Il senso di rotazione può essere invertito cambiando due fasi del collegamento.

Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f di alimentazione ed il numero di coppie polari p è espresso dalla relazione:

n_s = giri al minuto

f = frequenza della tensione in Hz

p = numero di coppie di poli

Dalla formula che definisce lo scorrimento è possibile esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore (n₎:

Il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non è mai nullo perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito tra le parti mobili e con l'aria che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo, vincendo questa coppia meccanica.

Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine che garantiscono un'ottima protezione dall'acqua e dagli agenti atmosferici. Questi motori sono frequentemente alimentati per mezzo di inverter elettronici che possono variarne la velocità variando in modo coordinato la frequenza e la tensione di alimentazione. L'uso di inverter permette di azionare il motore anche a partire da una corrente continua

Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo. In alcuni grossi motori si preferisce avviare a stella e poi commutare a triangolo, al fine di limitare le correnti di spunto, quando non sono utilizzati gli inverter. L'allacciamento elettrico del motore asincrono trifase viene realizzato di norma mediante sei bulloni di collegamento.

Esistono motori asincroni di potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con tensioni monofase. Tali motori possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi, dove per alimentare la seconda fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un condensatore

I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto circuito ma il rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.

Funzionamento

Alimentando gli avvolgimenti statorici con un sistema di tensione trifase simmetrico, si produce, nel traferro, un campo magnetico rotante, con numero di giri

n = (60 * f ) p

Dove n è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Hertz. Per esempio, un motore con tre coppie polari (6 poli totali), alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare di sincronismo di 1000 giri al minuto.

Le spire dell'avvolgimento rotorico si concatenano pertanto con un flusso variabile nel tempo, generando delle tensioni indotte che provocheranno la circolazione di correnti.

Per la legge di Lenz, il verso della corrente è tale da opporsi alla causa che ha generato la corrente stessa.

La corrente avrà un verso tale da produrre delle forze che mettono in movimento il rotore con verso concorde a quello di rotazione del campo magnetico.

La velocità del rotore in condizioni nominali è sempre minore di un 3%-6%; è il fenomeno dello scorrimento (slip) che consente la produzione della coppia. Dalla formula dello scorrimento posso esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore:

S = n - n n

Dove s rappresenta lo scorrimento, n la velocità di sincronismo ed n la velocità effettiva.

Il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il carico non è mai nullo perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito tra le parti mobili e con l'aria che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo, vincendo questa coppia meccanica.

La velocità di rotazione del campo magnetico rotante generato alimentando gli avvolgimenti dello statore con una tensione alternata dipende dal numero di coppie polari  presenti e dalla frequenza della tensione di alimentazione.

La frequenza e la tensione di alimentazione si possono variare in modo coordinato mediante l'utilizzo di alimentatori a frequenza variabile (inverter).

Tipi di M.A.T.

Il motore asincrono trifase può essere con rotore avvolto chiamato anche ad anelli, oppure

con rotore in cortocircuito o più comunemente definito come rotore a gabbia di scoiattolo.

La principale differenza tra i due tipi risiede nella struttura del rotore e più precisamente per il primo tipo il rotore è costituito da avvolgimenti veri e propri come quelli dello statore, presenta una struttura più complessa e delicata (spazzole che strisciano sul rotore, con possibile interposizione di resistenze per il controllo della fase di avviamento) con necessità di  manutenzione periodica e dimensioni d'ingombro elevate, mentre il secondo tipo ha un rotore costituito da sbarre chiuse in cortocircuito, quindi grazie ad una maggiore semplicità costruttiva dà origine ad un tipo di motore molto semplice, robusto ed economico.

Grazie allo sviluppo dell'elettronica di controllo che permette la regolazione della velocità in modo molto semplice ed efficace, tutte quelle applicazioni che vedevano l'impiego di motori più facilmente soggetti ad avere nel proprio comportamento intrinseco la possibilità di una

regolazione della velocità (motori in corrente continua o motori ad anello) hanno lasciato il posto ai motori asincroni, in particolare a quelli a gabbia di scoiattolo.

Rotore a gabbia di scoiattolo Il circuito rotorico è costituito da barre di alluminio pressofuse direttamente nelle cave collegate tra loro da due anelli di alluminio. Si tratta quindi di un circuito in cui il numero di fasi è pari al numero di barre e che è per costruzione in corto circuito.

Questo tipo di motore è anche detto  motore con rotore in corto circuito ed è indubbiamente il tipo di motore asincrono più semplice ed affidabile: non presenta spazzole o contatti striscianti, è adatto a tutti gli ambienti ed offre un'ampia gamma di potenza tanto da risultare il tipo più utilizzato in assoluto.

Purtroppo questo tipo di avvolgimento non permette un elevato spunto iniziale ed assorbe per contro un' elevata corrente in fase di avviamento che potrebbe produrre dei bruschi abbassamenti di tensione. 

Rotore avvolto Il motore con rotore avvolto presenta maggiori difficoltà costruttive, ma garantisce un maggiore spunto iniziale e la possibilità di regolare la corrente sia in fase di avviamento che durante la marcia.

In questo tipo di motore gli avvolgimenti del rotore sono molto simili a quelli dello statore, possono essere collegati sia a stella che a triangolo e terminano su tre anelli di bronzo (o comunque di un materiale che sia un buon conduttore) isolati tra loro e disposti in modo coassiale all'asse del motore. Su questi anelli strisciano delle spazzole fisse collegate ai morsetti rotorici.

Attualmente i motori asincroni a rotore avvolto sono applicati convenientemente, insieme ad inverter, in unità motrici o generatrici a velocità variabile in cui l'intervallo di variazione della velocità è piccolo. Il caso più tipico e diffuso è quello dei generatori eolici.