Macchine asincrone

Capitolo M3 - Macchine elettriche

Le macchine elettriche sono dispositivi di conversione elettromeccanica dell'energia, costituiti da una parte fissa (statore) e da una parte mobile (rotore o slittore, a seconda che la macchina sia di tipo ruotante o lineare) separate da una piccola intercapedine di aria di spessore uniforme, chiamata traferro.

Con riferimento al caso più comune di macchine ruotanti (fig. M3-1), l'asse del rotore è connesso ad un carico meccanico se la macchina funziona da motore, cioè converte energia elettrica in energia meccanica, o ad un motore primo se la macchina funziona da generatore, cioè converte energia meccanica in energia elettrica. Fig. M3-1

La scelta del tipo di motore per una data applicazione è influenzata da differenti fattori, quali ad esempio: costo di acquisto, costo di funzionamento, rapporto coppia/inerzia (per sistemi ad elevate prestazioni), rapporto potenza/peso (per sistemi aviotrasportati, bracci di robot), complessità di controllo del moto, affidabilità, ondulazione di coppia (per sistemi di controllo di posizione), campo di variabilità della velocità, ambiente in cui deve operare, ecc.

Talvolta i motori funzionano prevalentemente a velocità e carico costanti o al massimo selezionati tra un piccolo insieme di valori (pompe, ventilatori). In altri casi il funzionamento è tipicamente intermittente (ascensori), in altri è ciclico (all'interno di una macchina automatica). Infine, ci sono situazioni in cui il moto è tipicamente vario (trazione elettrica, robotica industriale).

Ci sono poi applicazioni in cui è necessario regolare la velocità del motore (trapano, pompa, ventilatore) ed altre in cui il motore va pilotato in posizione (robot industriale, fresa a controllo numerico), più raramente si utilizza un controllo di coppia.

Talvolta la regolazione è grossolana (ventilatore acceso/spento a una o due velocità), altre volte è richiesta una regolazione molto precisa (macchina a controllo numerico). Per far fronte a questa enorme varietà di esigenze sono state sviluppate differenti tipologie di motori elettrici, che possono essere classificati in differenti modi, ad esempio:

• Asincroni, sincroni, brushless, in corrente continua, universali, passo-passo e commutati a riluttanza;
• A bassa dinamica [es. trattamento dei fluidi], ad alta dinamica [es. macchine utensili e robot] e per moti di tipo incrementale [es. stampanti];
• A velocità costante o leggermente decrescente al crescere del carico [per azionare apparecchi elettrodomestici, macchine utensili ordinarie, pompe, ventilatori, compressori, trasportatori, ecc.], a velocità fortemente decrescente al crescere del carico [per azionare apparecchi che richiedono campi di variazione della coppia molto ampi (ad esempio trazione elettrica), in quanto l'uso di motori a velocità costante o leggermente decrescente al crescere del carico risulta in queste applicazioni antieconomico dato che la potenza del motore è determinata dalla coppia massima];
• Di potenza: frazionaria (≤ 1 CV o 1 kW), piccola (≤100 kW), media (100 kW÷1 MW), grossa (≥ 1 MW);
• A rotore liscio o a poli salienti (fig. M3-2). Fig. M3-2

Per azionamenti a bassa velocità e alta coppia si pone poi il problema se impiegare un motore relativamente veloce accoppiato al carico tramite un riduttore meccanico di velocità, oppure un motore più lento e quindi più grosso, pesante e costoso accoppiato direttamente al carico.

Nelle macchine elettriche la trasformazione elettromeccanica dell'energia deriva dalle interazioni tra i campi magnetici statorici e quelli rotorici. Statore e rotore sono infatti magneti permanenti o elettromagneti e la coppia nasce dalla tendenza dei poli Nord del rotore a portarsi esattamente sotto i poli Sud dello statore. L'allineamento dei campi corrisponde ad una situazione di equilibrio spontaneo, come lo stato di una molla a riposo, e lo scostamento dall'equilibrio determina, come nel caso della molla, forze tendenti a ripristinarlo.

L'espressione della coppia elettromagnetica può ottenersi in base alla variazione dell'energia immagazzinata nel campo magnetico (praticamente racchiusa nel traferro). Alla coppia meccanica che agisce sull'albero della macchina, motrice per i motori, frenante per i generatori, fa riscontro negli avvolgimenti una forza elettromotrice (generatori) o controelettromotrice (motori), prodotta dalla variazione del flusso totale concatenato con l'avvolgimento considerato (legge di Faraday-Lenz).

Capitolo M4 - Macchine asincrone trifasi

Le macchine asincrone, o ad induzione, sono normalmente utilizzate come motori. L'impiego come generatori è da considerare eccezionale o temporaneo come avviene per i motori di trazione elettrica (locomotori) nel caso di marcia in discesa (frenatura a recupero). Tali macchine vengono costruite per potenze che vanno da poche centinaia di W ad alcuni MW nella versione trifase e da qualche W a qualche kW nella versione monofase.

I motori asincroni sono i motori elettrici di gran lunga più usati per i seguenti motivi: robustezza ed affidabilità elevate, inerzia e costi contenuti, esigenze di manutenzione molto ridotte, limitazioni ambientali praticamente nulle, possibilità di funzionare ad alta velocità.

M4-1. Struttura elettromagnetica

I motori asincroni sono costituiti da una parte fissa (statore) all'interno del quale è situata una parte libera di ruotare su cuscinetti (rotore). Lo statore ed il rotore sono due cilindrici cavi coassiali separati da un traferro di piccolo spessore, che presentano delle cave uniformemente distribuite sulle superfici affacciate al traferro (fig. M4-1). Entrambi sono costituiti da lamierini ferromagnetici con <1%, percentuale di silicio caratterizzati da basse perdite per isteresi ed elevata permeabilità isolati fra di loro. All'interno delle cave sono disposti degli avvolgimenti. Fig. M4-1

Le cave rotoriche non sono parallele all'albero e il loro numero è diverso da quello delle cave statoriche per ridurre il ronzio magnetico, le armoniche di cava e il fenomeno dell'impuntamento (con numero di denti statorici uguale a quello dei denti rotorici, in fase di spunto il rotore tenderebbe a rimanere bloccato nella posizione di minima riluttanza).

L'avvolgimento statorico o induttore è costituito da tre fasi identiche disposte nelle cave dello statore (fig. M4-2) sfalsate di 120/p gradi meccanici fra di loro (in modo da realizzare p coppie di poli della macchina); tali fasi possono essere collegate a stella o a triangolo, permettendo così di alimentare lo stesso motore con due diversi valori di tensione (ad esempio 220 e 380 V). Le spire di ciascuna fase sono distribuite in modo tale da produrre, quando sono percorse da corrente, un'induzione di traferro ad andamento radiale distribuita spazialmente in modo approssimativamente sinusoidale. Fig. M4-2a Fig. M4-2b

L'avvolgimento rotorico o indotto è costituito da tre fasi collegate a stella o a triangolo aventi lo stesso numero di coppie di poli dell'avvolgimento statorico e i cui terminali, attraverso tre anelli coassiali con il rotore su cui strisciano delle spazzole fisse, sono connessi ad un reostato trifase (motori a rotore avvolto - figg. M4-3a/b/e) oppure da barre cortocircuitate agli estremi da anelli (motori a gabbia di scoiattolo - fig. M4-3c/d/f/g/h).

Oltre allo statore ed al rotore, altri due elementi fondamentali della macchina asincrona sono: la carcassa, che svolge una importante funzione protettiva nei confronti sia delle parti elettriche e funzionali del motore sia degli utenti, e l'asse meccanico su cui spesso è calettato un ventilatore per aiutare il movimento dell'aria di raffreddamento. Esistono vari tipi di carcasse in relazione al tipo di raffreddamento (naturale o forzato) e al tipo di apertura: quelle aperte permettono all'aria di raffreddamento di fluire attraverso le parti attive del motore, mentre quelle totalmente chiuse, per motori funzionanti in ambienti in cui sono presenti sporcizia, umidità e gas corrosivi, l'aria esterna non entra all'interno del motore, ma è presente un ventilatore esterno protetto da un schermo protettivo, che soffia l'aria sulle alette del motore.

Nelle figure M4-4 sono riportate la rappresentazione dello statore di un motore asincrono a gabbia, del relativo rotore e del motore completo. Fig. M4-4a Fig. M4-4b

Nei motori a gabbia di scoiattolo, di gran lunga più diffusi (∼90%) per la maggiore robustezza ed il minore costo, l'avvolgimento rotorico, che per costruzione è sempre in corto circuito, ha un numero di fasi pari al numero delle barre mentre non ha un numero di poli suo proprio, ma le correnti indotte che circolano nelle barre generano altrettanti poli quanti sono quelli del campo induttore statorico. In tali motori inoltre, dato che l'avvolgimento rotorico ha una sola barra per fase e che le f.e.m. indotte diminuiscono al diminuire del numero delle spire, le f.e.m. rotoriche risultano così piccole da non richiedere di isolare le barre dal materiale ferromagnetico.

Per potenze medio-basse (fino a 100 kW) può convenire realizzare la gabbia in alluminio pressofuso, per potenze maggiori la gabbia è sempre in rame. Tutte le macchine elettriche sono dotate di una targa che fornisce importanti informazioni necessarie per la loro scelta ed il loro utilizzo. In figura M4-5 è riportata la targa di un motore asincrono trifase da 30 HP della ditta Siemens progettato per funzionare a 460 V e 60 Hz; corrente nominale 34,9 A; velocità nominale è 1.765 giri al minuto, scorrimento nominale 1,9%, rendimento 93,6%. Il fattore di servizio 1,15 indica che il motore può essere fatto funzionare in modo intermittente ad una potenza maggiore di quella di targa del 15%. La classe di isolamento è F (che consente una sovratemperatura massima di 105°C) e la temperatura ambiente è standardizzata a 40°C per altitudini inferiori a 1.000 m, pertanto la massima temperatura ammessa è 145°C. La temperatura di funzionamento di un motore è importante sia per il rendimento che per la durata di vita (un incremento di 10 °C della temperatura di funzionamento può diminuire la durata di vita dell'isolante di più del 50%). In figura M4-6 è riportata una morsettiera con 6 morsetti accessibili, in cui il collegamento delle tre fasi statoriche può essere realizzato a stella o a triangolo. Fig. M4-5 Fig. M4-6

M4-2. Campo magnetico ruotante

Una proprietà caratteristica delle correnti trifasi è quella di generare un campo magnetico ruotante simile a quello ottenibile con la rotazione meccanica di un magnete permanente. Consideriamo due sistemi di riferimento solidali uno allo statore e l'altro al rotore e assumiamo le seguenti ipotesi semplificative: traferro di spessore costante, nucleo magnetico di permeabilità infinita e conduttori di ciascuna fase distribuiti in modo da determinare una distribuzione di c.d.t. magnetica nel traferro, e quindi di campo magnetico H e di induzione magnetica B, ad andamento sinusoidale lungo il traferro. Per ciascuna fase, tale distribuzione può quindi essere rappresentata per mezzo di un fasore orientato secondo il suo asse magnetico e con intensità proporzionale al valore assunto da B in corrispondenza dell'asse magnetico. Pertanto anche la distribuzione di induzione al traferro risultante dalla somma delle distribuzioni di campo prodotte dalle singole fasi ha uno sviluppo spaziale di tipo sinusoidale.

Se le tre fasi statoriche sono percorse da una terna equilibrata di correnti di pulsazione ω, il fasore rappresentativo del campo magnetico nel traferro è costante in modulo (pari a 1,5 volte il valore massimo di quello alternato dovuto ad una sola fase) e ruota, rispetto al sistema di riferimento statorico, con velocità angolare ω_S/p. Se invece sono percorse da una terna equilibrata di correnti di pulsazione ω_R le tre fasi dell'avvolgimento rotorico, la velocità angolare del campo ruotante è pari a ω_R/p rispetto al sistema di riferimento rotorico; di conseguenza, se il rotore ruota a velocità angolare ±ω_m, la velocità risultante del campo rotorico rispetto allo statore è ω_R/p ± ω_m.

Nelle figure M4-7 e M4-8 sono riportati gli andamenti delle correnti circolanti nelle fasi statoriche, rappresentate da tre spire sfalsate fra di loro di 120° meccanici, e del fasore rappresentativo del corrispondente campo ruotante in tre istanti successivi. Fig. M4-7 Fig. M4-8

All'istante t₁ la corrente i₁ è massima positiva e le correnti i₂ e i₃ sono negative e di valore pari ad ½ del valore massimo; componendo vettorialmente i fasori rappresentativi delle tre corrispondenti f.m.m. (che hanno i sensi indicati in figura e intensità in per unit) si ottiene un fasore risultante perpendicolare alla spira 1 di intensità pari a (1+0,5cos60°+0,5cos60°)=1,5.

All'istante t₂ la corrente i₁ è positiva e vale cos30°=0,866, la corrente i₂ è nulla e la corrente i₃ è negativa e vale 0,866, pertanto il fasore risultante vale (0,866cos30°+0+0,866cos30°)=1,5 e risulta ruotato di 30°. E così di seguito. Si può concludere che la f.m.m. totale risulta costante in modulo (pari a 1,5 volte il valore massimo della f.m.m. dovuta ad una sola spira) e, nel presente caso di avvolgimento ad un paio di poli (nel quale gli angoli elettrici sono uguali a quelli meccanici), ruota con velocità angolare uguale alla pulsazione delle tensioni di alimentazione. Più in generale il campo ruotante prodotto da un avvolgimento trifase con p coppie di poli ruota ad una velocità angolare pari a ω_S/p.

In figura M4-9 è rappresentata schematicamente la distribuzione ad un dato istante del campo magnetico ruotante nel caso di avvolgimento statorico rispettivamente ad uno (fig. M4-9a) e due paia di poli (fig. M4-9b). a)b) Fig. M4-9

Il verso di rotazione del campo ruotante può essere invertito semplicemente scambiando fra loro le connessioni di due qualunque delle tre fasi dell'avvolgimento statorico.