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:

rappTrasformazione

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

Se consideriamo invece 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 Iμ e da quella attiva Ia. La corrente attiva Ia 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 ordini 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 qualsiasi ragione di servizio, essi non possono lavorare a pieno carico.

I motori funzionano con tensione di alimentazione e con frequenza praticamente costanti; quello 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, le relazioni, che legano tra loro queste grandezze in particolare la cosiddetta 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 del tipo riportato in Figura 1.

 

coppians

 

L’interpretazione è abbastanza facile; ns 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 questa che manca, ad esempio, al motore sincrono.

Osserviamo che 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.

Fino a quando la coppia fornita dal motore si adegua allo sforzo da vincere? Osserviamo ancora la Figura 1. Vediamo che esiste una certa velocità (nm) in corrispondenza dalla quale la coppia motrice assume il valore massimo. Cosa accade quando viene superato questo valore limite?

All’aumentata resistenza (con conseguente aumento dello 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 asincroni, 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 a questo punto, sempre dalla Figura 1 che le condizioni di avviamento della macchina, partendo da rotore fermo, corrispondono al punto 0 dell’asse delle ascisse. Alla partenza, quindi, il motore si trova sempre nel ramo instabile della curva e soltanto se la coppia resistente è piccola (minore della coppia motrice) riesce ad avviarsi spontaneamente, accelerando via via fino a portarsi a funzionare sul ramo stabile della caratteristica meccanica, dove, successivamente, può essere caricato tranquillamente (purché non superi, ovviamente, il carico massimo).

La relazione numerica tra coppia motrice e numero di giri fornisce la potenza meccanica Pm. Se indichiamo con C la coppia espressa in N·m (newton × metro) e con ω la velocità angolare espressa in rad/sec, la potenza Pm (espressa in watt), è:

Pm = ω·C

Se, come avviene spesso nella pratica, la velocità angolare è espressa in giri/min., allora l’espressione della potenza (sempre watt) è:

Pm

Infine se la coppia C fosse data in kilogrammetri (kgm) la potenza è data da:

Pm1

Osserviamo che (anche se ormai sconsigliato dalle norme) si usa qualche volta ancora indicare la potenza dei motori elettrici di cavalli (CV). Ricordiamo a tale proposito l’uguaglianza:

1 CV = 736 W

La potenza calcolata con una delle relazioni sopra scritte ci permette, dopo avere dedotto le perdite per attriti e ventilazione, di trovare la potenza resa dall’albero. Questa viene assunta come potenza nominale della macchina quando corrisponde al funzionamento normale del motore.

Il calcolo del rendimento, definito come rapporto tra la potenza resa P e la potenza elettrica assorbita Pa, passa attraverso la definizione delle perdite all’interno della macchina.

 

Esse 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 (pfe); sul nucleo di rotore le perdite nel ferro sono trascurabili perché la frequenza f2 durante il funzionamento è come abbiamo visto molto piccola;
  3. perdite per attriti e ventilazione, dette complessivamente perdite meccaniche (pm).

 

Il rendimento può allora essere calcolato con l’espressione:

rendimentopm

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

Accenniamo adesso a qualche aspetto costruttivo dei motori. Poiché risulta abbastanza chiara la costituzione di massima dello statore, soffermiamoci a parlare del 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 (da cui il nome): una serie di sbarre di rame o di alluminio disposte come le generatrici di un cilindro sono saldate a due anelli disposti alle estremità; il tutto è poi fissato su un nucleo di ferro costituito da un pacco di lamierini.

 

motoreagabbia

 

Nei motori più grossi, in pratica oltre i 3 kW, il rotore porta invece un vero e proprio avvolgimento con apposite 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 allora collegando elettricamente tra loro i tre anelli mediante contatti a spazzole striscianti.

La differenza principale tra i due tipi di rotore consiste nel fatto che, mentre nel rotore a gabbia non è possibile modificare le caratteristiche del circuito rotorico, in quello avvolto (attraverso gli anelli e le spazzole) queste caratteristiche si possono modificare, il che risulta particolarmente importante, per l’avviamento dei motori.

Riportiamo in Figura 3 un motore asincrono trifase.

Mat3   Click to listen highlighted text! 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. Se consideriamo invece 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 Iμ e da quella attiva Ia. La corrente attiva Ia 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 ordini 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 qualsiasi ragione di servizio, essi non possono lavorare a pieno carico. I motori funzionano con tensione di alimentazione e con frequenza praticamente costanti; quello 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, le relazioni, che legano tra loro queste grandezze in particolare la cosiddetta 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 del tipo riportato in Figura 1.     L’interpretazione è abbastanza facile; ns 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 questa che manca, ad esempio, al motore sincrono. Osserviamo che 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. Fino a quando la coppia fornita dal motore si adegua allo sforzo da vincere? Osserviamo ancora la Figura 1. Vediamo che esiste una certa velocità (nm) in corrispondenza dalla quale la coppia motrice assume il valore massimo. Cosa accade quando viene superato questo valore limite? All’aumentata resistenza (con conseguente aumento dello 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 asincroni, 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 a questo punto, sempre dalla Figura 1 che le condizioni di avviamento della macchina, partendo da rotore fermo, corrispondono al punto 0 dell’asse delle ascisse. Alla partenza, quindi, il motore si trova sempre nel ramo instabile della curva e soltanto se la coppia resistente è piccola (minore della coppia motrice) riesce ad avviarsi spontaneamente, accelerando via via fino a portarsi a funzionare sul ramo stabile della caratteristica meccanica, dove, successivamente, può essere caricato tranquillamente (purché non superi, ovviamente, il carico massimo). La relazione numerica tra coppia motrice e numero di giri fornisce la potenza meccanica Pm. Se indichiamo con C la coppia espressa in N·m (newton × metro) e con ω la velocità angolare espressa in rad/sec, la potenza Pm (espressa in watt), è: Pm = ω·C Se, come avviene spesso nella pratica, la velocità angolare è espressa in giri/min., allora l’espressione della potenza (sempre watt) è: Infine se la coppia C fosse data in kilogrammetri (kgm) la potenza è data da: Osserviamo che (anche se ormai sconsigliato dalle norme) si usa qualche volta ancora indicare la potenza dei motori elettrici di cavalli (CV). Ricordiamo a tale proposito l’uguaglianza: 1 CV = 736 W La potenza calcolata con una delle relazioni sopra scritte ci permette, dopo avere dedotto le perdite per attriti e ventilazione, di trovare la potenza resa dall’albero. Questa viene assunta come potenza nominale della macchina quando corrisponde al funzionamento normale del motore. Il calcolo del rendimento, definito come rapporto tra la potenza resa P e la potenza elettrica assorbita Pa, passa attraverso la definizione delle perdite all’interno della macchina.   Esse sono:   perdite nel rame degli avvolgimenti di statore (p1) e del circuito di rotore (p2); perdite per isteresi e correnti parassite nel nucleo di statore (pfe); sul nucleo di rotore le perdite nel ferro sono trascurabili perché la frequenza f2 durante il funzionamento è come abbiamo visto molto piccola; perdite per attriti e ventilazione, dette complessivamente perdite meccaniche (pm).   Il rendimento può allora essere calcolato con l’espressione: Ovviamente il motore avrà; anche a pieno carico, rendimenti minori di un trasformatore di pari potenza a causa delle maggiori perdite. Accenniamo adesso a qualche aspetto costruttivo dei motori. Poiché risulta abbastanza chiara la costituzione di massima dello statore, soffermiamoci a parlare del 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 (da cui il nome): una serie di sbarre di rame o di alluminio disposte come le generatrici di un cilindro sono saldate a due anelli disposti alle estremità; il tutto è poi fissato su un nucleo di ferro costituito da un pacco di lamierini.     Nei motori più grossi, in pratica oltre i 3 kW, il rotore porta invece un vero e proprio avvolgimento con apposite 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 allora collegando elettricamente tra loro i tre anelli mediante contatti a spazzole striscianti. La differenza principale tra i due tipi di rotore consiste nel fatto che, mentre nel rotore a gabbia non è possibile modificare le caratteristiche del circuito rotorico, in quello avvolto (attraverso gli anelli e le spazzole) queste caratteristiche si possono modificare, il che risulta particolarmente importante, per l’avviamento dei motori. Riportiamo in Figura 3 un motore asincrono trifase. Powered By GSpeech