Caratteristiche dei motori asincroni

Caratteristiche dei motori asincroni

Riprendiamo ancora l’analogia tra motore asincrono e trasformatore.

Possiamo definire rapporto di trasformazione di un motore (k) il rapporto tra le f.e.m. indotte di statore e rotore (primario e secondario) quando quest’ultimo si consideri fermo e il suo circuito elettrico a vuoto:

Questo rapporto è più approssimato che nei trasformatori, perché il concatenamento elettromagnetico tra i due avvolgimenti risente dell’esistenza del traferro statore–rotore.

Corrente a vuoto e rifasamento

Se consideriamo il funzionamento a vuoto, quando nessuna coppia resistente è applicata all’albero, il motore assorbe una corrente I₀ composta, in analogia al trasformatore a vuoto, dalla corrente magnetizzante I_\mu e da quella attiva I_a. La corrente attiva I_a risulta a sua volta composta oltre che dalla corrente corrispondente alle perdite nel nucleo magnetico, anche da quella corrispondente alle perdite meccaniche: attriti nei cuscinetti e ventilazione.
La corrente a vuoto, come per il trasformatore, è fortemente sfasata rispetto alla tensione di alimentazione. Se si carica il motore, la corrente attiva assorbita aumenta in rapporto alla potenza fornita e lo sfasamento tra tensione e corrente diminuisce. Però, mentre nel trasformatore la corrente magnetizzante è una piccola percentuale della corrente primaria, nel motore assume valori che possono raggiungere l’ordine del 30–40%. L’inserzione di motori asincroni su una rete comporta perciò notevoli sfasamenti tra tensioni e correnti e quindi la necessità del rifasamento della rete soprattutto quando, per ragioni di servizio, essi non possono lavorare a pieno carico.

Grandezze che variano col carico e caratteristica meccanica

I motori funzionano con tensione di alimentazione e frequenza praticamente costanti; ciò che varia, al variare del carico, sono la corrente assorbita, l’angolo di fase, la velocità di rotazione, lo scorrimento e il rendimento. È importante conoscere, per un dato motore, la caratteristica meccanica, cioè il legame (espresso in forma grafica) tra il numero di giri del motore e la coppia motrice. L’andamento della caratteristica meccanica è quello di Figura 1.

L’interpretazione è abbastanza facile; n_s rappresenta il numero di giri di sincronismo, cioè i giri che il rotore compirebbe se seguisse il campo rotante senza alcuno scorrimento: sappiamo che è una velocità irraggiungibile in pratica, perché in tali condizioni mancherebbe anche l’impulso di trascinamento (coppia nulla). È sufficiente, però, che il numero di giri del rotore sia di poco al di sotto del valore di sincronismo perché si manifesti una coppia di valore tanto più alto quanto maggiore è lo scorrimento.
Questa proprietà è della massima importanza: quanto maggiore è il carico da trascinare, tanto più il motore risulta “frenato”, lo scorrimento tende ad aumentare e con esso la coppia motrice. In altre parole, il motore si adegua automaticamente allo sforzo che deve sopportare; una proprietà che manca, ad esempio, al motore sincrono. La variazione di velocità che dà luogo alla variazione di coppia motrice è in realtà molto piccola perché la curva caratteristica ha un andamento ripido: è sufficiente una piccola variazione di n perché la coppia subisca una variazione notevole. Il motore asincrono può essere considerato quindi una macchina a velocità quasi costante.
Esiste una certa velocità n_m in corrispondenza della quale la coppia motrice assume il valore massimo. Quando si supera questo valore limite, all’aumentata resistenza (e quindi allo scorrimento) non corrisponde più una coppia crescente, ma una coppia in diminuzione: la macchina passa quindi a lavorare in regime di instabilità, con forte assorbimento di corrente e graduale “perdita di passo”. A differenza dei motori sincroni, comunque, non appena si diminuisce il carico, la macchina è in grado di riprendere spontaneamente il passo, tornando a funzionare nella zona di stabilità. Rileviamo inoltre, sempre dalla Figura 1, che le condizioni di avviamento, partendo da rotore fermo, corrispondono al punto 0 dell’asse delle ascisse. Alla partenza, quindi, il motore si trova nel ramo instabile della curva e soltanto se la coppia resistente è piccola (minore della coppia motrice) riesce ad avviarsi spontaneamente, accelerando fino a portarsi a funzionare sul ramo stabile della caratteristica meccanica.

Scorrimento e potenza meccanica

Formula di scorrimento

La relazione numerica tra coppia motrice e numero di giri fornisce la potenza meccanica P_m. Se indichiamo con C la coppia espressa in N·m e con \(\omega\) la velocità angolare in rad/s, la potenza meccanica (in W) è:

Se, come spesso in pratica, la velocità è espressa in giri/min:

Se la coppia C è data in kilogrammetri (kgm), si usa l’equivalenza 1 kgm ≈ 9,81 N·m:

Ricordiamo inoltre che, sebbene sconsigliato dalle norme, talvolta si indica la potenza in cavalli vapore (CV): 1 CV = 736 W. La potenza calcolata con una delle relazioni sopra, dedotte le perdite per attriti e ventilazione, fornisce la potenza resa dall’albero, assunta come potenza nominale quando corrisponde al funzionamento normale del motore.

Rendimento e perdite

Il rendimento è definito come rapporto tra la potenza resa P e la potenza elettrica assorbita P_a. Le perdite principali sono:

1. perdite nel rame degli avvolgimenti di statore (p₁) e del circuito di rotore (p₂);
2. perdite per isteresi e correnti parassite nel nucleo di statore (p_fe); nel rotore sono trascurabili perché la frequenza f₂ è molto piccola durante il funzionamento;
3. perdite meccaniche per attriti e ventilazione (p_m).

Formula di rendimento

Il rendimento può allora essere calcolato con l’espressione:

Dove:

• P = potenza resa (meccanica utile)
• P_a ​= potenza assorbita che è pari a:
• p₁ = perdite nel rame dello statore
• p₂ = perdite nel rame del rotore
• p_fe = perdite nel ferro (isteresi + correnti parassite)
• p_m ​= perdite meccaniche

Ovviamente il motore avrà, anche a pieno carico, rendimenti minori di un trasformatore di pari potenza a causa delle maggiori perdite.

Aspetti costruttivi: tipi di rotore

Poiché risulta abbastanza chiara la costituzione di massima dello statore, soffermiamoci sul rotore. Esistono fondamentalmente due tipi di rotore: rotore a gabbia e rotore ad anelli. Il primo tipo riguarda motori a induzione di potenza modesta (fino a ~3 kW). Costituito secondo lo schema di Figura 2, ha una struttura somigliante a una gabbia di scoiattolo: una serie di sbarre di rame o di alluminio, disposte come le generatrici di un cilindro, sono saldate a due anelli alle estremità; il tutto è fissato su un nucleo di ferro costituito da un pacco di lamierini.

Nei motori più grandi (oltre ~3 kW), il rotore porta un vero e proprio avvolgimento con matasse di spire che presentano tre estremità libere, le quali fanno capo a tre anelli calettati sull’asse. Il corto circuito del rotore viene ottenuto collegando elettricamente tra loro i tre anelli mediante contatti a spazzole striscianti. La differenza principale tra i due tipi consiste nel fatto che, mentre nel rotore a gabbia non è possibile modificare le caratteristiche del circuito rotorico, in quello avvolto (attraverso anelli e spazzole) tali caratteristiche si possono modificare: ciò risulta particolarmente importante per l’avviamento dei motori.