Controllo di velocità di un motore asincronotrifase tesina

Controllo di velocità di un motore MAT ad anello chiuso

Motore asincrono

Motore in corrente alternata.

Motore a gabbia di scoiattolo

Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata, che assorbe una potenza elettrica e fornisce in uscita al suo asse una potenza meccanica. 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.

Il motore asincrono è detto anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito. Tuttavia il rendimento è in funzione della potenza massima, e può andare dal 60-70% (per piccoli motori fino a qualche kW) al 95-97% (per motori fino a 100-200 kW).

La struttura

Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore. Lo statore è formato da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare. Le scanalature interne al pacco di lamierini statorici accolgono i conduttori (filo di rame smaltato) dell'avvolgimento trifase statorico.

Il rotore è situato all'interno dello statore ed è costituito da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare, con un foro interno per il passaggio dell'albero di rotazione, e scanalature esterne (cave rotoriche) per accogliere l'avvolgimento rotorico.

Statore e rotore

Tra statore e rotore è presente uno spessore d'aria detto traferro, di qualche decimo di millimetro, per consentire la libera rotazione del rotore.

Principio di funzionamento

Il campo magnetico rotante generato in un motore asincrono trifase.

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.

I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono collegati in serie e disposti fisicamente l'uno di fronte all'altro. Le coppie polari presentano invece uno sfasamento di 120° fisici ed elettrici. In conseguenza di ciò, negli avvolgimenti si verifica il passaggio di correnti che a loro volta producono un campo magnetico complessivo che ruota nello spazio.

Il rotore è dotato di un certo numero di fasi di norma chiuse in corto circuito. La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità n_s legata alla frequenza di alimentazione f, detta velocità di sincronismo.

La velocità di rotazione del rotore sarà sempre n_r, 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).

Curva di coppia di 4 differenti motori elettrici asincroni

• A) Motore monofase
• B) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo
• C) Motore polifasico a singola gabbia di scoiattolo a barre profonde
• D) Motore polifasico a doppia gabbia di scoiattolo

Curva di coppia di 4

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 alla velocità n_s rispetto allo statore ed è dunque sincrono con il campo di statore.

Tale condizione di sincronismo tra le due onde di campo magnetico assicura che il motore produca una coppia costante. La situazione in cui n_s = n_r, cioè velocità di rotore uguale a quella di sincronismo, è una condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici (e quindi correnti indotte) e dunque la coppia motrice è zero.

Diversamente, la mutua interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e quelle di statore produce una coppia risultante netta. Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza di alimentazione f ed il numero di coppie polari p è espresso dalla relazione: dove n_s 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 (cioè 3000/P giri al minuto, dove P - numero di coppie di poli - è 3).

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 che definisce lo scorrimento è possibile esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore n_r.

Dove s è lo scorrimento, n_s è la velocità di sincronismo e n_r è la velocità reale alla quale ruota il rotore.

Nr = ns * (1-S)

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 come avviene nella trazione ferrovia.

Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di 400 e 230 V.

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. 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; un tipico esempio è costituito dai motori utilizzati per far girare le pale dei ventilatori o degli asciugacapelli.

Per potenze piccolissime si usano i motori in cui la seconda fase è un circuito spazialmente asimmetrico chiuso in corto circuito (motori a "polo shuntato"). I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto circuito ma il rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.

Argomento di sistemi

Il trasformatore è una macchina elettrica statica perché non contiene parti in movimento e reversibile, serve per variare i parametri della potenza elettrica apparente, tensione e corrente d'ingresso rispetto a quella d'uscita, mantenendola costante.

Il rendimento di un trasformatore è molto alto e le perdite sono molto basse nel ferro per effetto Joule. Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili.

Il trasformatore viene ampiamente usato nelle reti di trasporto dell'energia elettrica che collegano le centrali elettriche alle utenze (industriali e domestiche). È stato uno dei motivi principali della vittoria della corrente alternata di Tesla nella famosa guerra delle correnti di Edison.

Introduzione

Trasformatore di media tensione su palo rurale. Alla sommità del palo si vede l'arrivo delle tre corde della media tensione con isolatori in vetro, appena sotto si vedono gli scaricatori per le sovratensioni di origine atmosferica, alla cui altezza partono anche due cavi di uscita verso le utenze in bassa tensione.

A sinistra sopra il trasformatore è visibile il vaso di espansione dell'olio di raffreddamento, contenuto nella carcassa metallica.

Le enormi quantità di energia elettrica richieste dalla società moderna, fanno sì che questa debba essere prodotta in grandi quantità presso centri di produzione denominati centrali elettriche.

Un parametro utile per determinare la dimensione e la quantità di energia prodotta da una centrale è la potenza (simbolo P, unità di misura W). La quale può variare dalle decine di kW (1 kW = 1000 W) di piccole centrali idroelettriche o solari alle centinaia di MW (1 MW = 1.000.000 W) delle grandi centrali termoelettriche e nucleari.

Questa energia deve essere trasportata anche per centinaia di km. La potenza è legata in maniera diretta ai parametri di tensione e corrente, secondo la formula: P = V I cosφ.

Dove il cosφ, detto fattore di potenza, è il correttivo dovuto allo sfasamento fra tensione e corrente. Ciò significa che a parità di potenza aumentando la tensione V diminuisce la corrente I e si deve mantenere il cosφ il più possibile vicino al valore unitario 1.