Tesi Motori termici per la trazione

S

Se in questo campo rotante poniamo una spira chiusa su se stessa, per la legge di

Faraday, sulla spira verrà prodotta una corrente indotta che darà luogo a sua volta

ad un campo magnetico che cercherà di opporsi al campo magnetico rotante.

A questo punto la spira comincerà a ruotare inseguendo il campo magnetico

rotante.

La velocità di rotazione del rotore N , risulterà così sempre leggermente

Rotore

inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico rotante N (dal 2 al 6%

S

fortemente dal carico applicato all’albero.

circa) e dipenderà Questo fenomeno è

detto scorrimento (S) in inglese SLIP ed è il valore relativo dello scarto tra la

velocità del rotore e la velocità del campo magnetico rotante.

–

S = (N N ) / N ed è un valore espresso in percentuale (%).

S Rotore S

A vuoto (senza applicare nessun carico sull’albero del motore) lo scorrimento

vale 0,5% ; è grazie a questo fenomeno che il motore riesce a partire

Finché c’è scorrimento

autonomamente. il motore si muove, a scorrimento nullo

il motore si ferma. 43

In conclusione il rotore girerà sempre ad una velocità leggermente inferiore della

velocità del campo rotante.

Questo appena descritto è il principio di funzionamento di un motore asincrono.

Nel motore sincrono il concetto di campo magnetico rotante è identico, ma

cambia la costruzione del rotore, che è costituito da magneti permanenti o da

avvolgimenti alimentati con una corrente continua che producono un campo

magnetico unidirezionale (sempre N-S).

In questo caso i poli del rotore vengono attratti dal campo magnetico rotante

creando delle forze di attrazione fra poli diversi (N-S) e rendendo la velocità di

rotore sincrona con la velocità del campo magnetico.

Fino a qualche anno fa, a motore fermo, l’applicazione della tensione alternata

generava un problema di avviamento: il rotore, per effetto dell’inerzia non aveva

il tempo di seguire il campo magnetico rotante, rimanendo fermo. Il motore

quindi fatto partire mediante l’utilizzo di un motore asincrono e

veniva

successivamente, dopo avere scollegato quest’ultimo, veniva collegata la tensione

di alimentazione ed inserito il carico meccanico utilizzatore.

Se il motore sincrono veniva frenato o accelerato oltre un certo limite, si

innescava una serie di oscillazioni che portavano il motore al blocco e si potevano

verificare forti sovracorrenti tali da danneggiare il motore. Per questo motivo

andava prevista una protezione dalle sovracorrenti, ad esempio con un interruttore

magnetotermico di protezione.

Oggigiorno, con l’avvento dell’elettronica di potenza (i moderni inverter) è

possibile variare la tensione di alimentazione in ampiezza e frequenza e fare in

modo che il campo elettromagnetico generato sia sempre sincrono alla rotazione

In questo modo non c’è più bisogno

del rotore anche durante la fase di partenza.

del motore asincrono per far partire il motore. 44

10.2.2 Come sono fatti i motori Sincrono ed Asincrono

Come tutti i motori sono costituiti da uno statore che è la parte fissa del motore e

da un rotore che è la parte mobile o rotante.

Lo statore, per entrambi i motori, sarà costruito con lamierini impaccati in

acciaio e sarà sede degli avvolgimenti statorici deputati a produrre il campo

magnetico rotante.

Lamierini impaccati Avvolgimenti statorici

Gli avvolgimenti in rame smaltato possono essere alloggiati in cave ricavate

direttamente sul corpo dello statore o nelle classiche espansioni polari.

Analizzando il sistema di alimentazione trifase per la sistemazione dei poli si

parlerà di terne polari. Statore con cave interne (isotropo)

Statore con espansioni polari (anisotropo) 45

In entrambe le figure i poli con gli avvolgimenti rappresentati dalle tre

colorazioni (rosso, azzurro e verde) risultano sfasati di 120° tra loro e sono il

numero minimo per il sistema trifase ovvero una coppia polare per fase.

Per aumentare la coppia motrice si possono avere più coppie polari per fase, ma

all’aumentare del numero di coppie polari, corrisponde una diminuzione della

velocità del motore secondo la seguente formula:

n = (60 * f ) / P n = 60 * 50Hz / P (RPM = Giri Per Minuto)

dove “n” “f “

è la velocità di sincronismo del campo magnetico rotante, la

frequenza di rete e P il numero delle coppie polari per fase.

Quindi sostituendo nella formula si avrà che per un motore con 1 coppia polare

per fase la velocità di sincronismo è pari a 3000 giri/minuto (RPM), con due

coppie 1500, con tre coppie 750.

10.2.3 Il rotore del motore Asincrono

I rotori più diffusi per i motori asincroni, sono quelli a Gabbia di Scoiattolo così

chiamati per la loro conformazione tipica che richiamano appunto una gabbia

circolare. In blu la

rappresentazione

delle correnti

indotte e la

relativa coppia

prodotta.

Rotore a Gabbia di Scoiattolo 46

Poiché sono costituiti da un insieme di spire chiuse in corto circuito, e al

momento dell’avvio del motore, devono sopportare una corrente elevata (circa 7

volte la corrente di normale esercizio), vengono realizzati con barre di alluminio

chiuse alle due estremità da due anelli in rame o acciaio.

Lo spazio tra le barre viene riempito con lamierini impaccati di materiale

ferromagnetico. Campo magnetico della gabbia

Lamierini di riempimento

per ridurre la corrente di spunto all’avvio, si usano

Nei motori di elevate potenze,

rotori di tipo avvolto. In questo tipo di macchine, nelle cave rotoriche vi è un

normale avvolgimento, simile a quello statorico, di tipo trifase e collegato a stella,

come mostrato in Figura. 47

I capi di queste fasi vengono collegati a degli anelli conduttori, calettati

sull’albero del motore ma, isolati da questo; sui questi anelli poggiano delle

spazzole collegate ad un reostato esterno di avviamento, completamente inserito

all’atto di chiusura dell’interruttore sulla linea, ma che va disinserito,

gradualmente, all’aumento della velocità di rotazione e completamente escluso

(cortocircuitato) in condizioni di normale funzionamento.

Vale la pena di precisare che il numero delle fasi del rotore può essere diverso da

quello di statore, ma è indispensabile che il numero di poli sia uguale per i due

avvolgimenti.

Qui sotto sono rappresentati due motori asincroni con rotore a gabbia (a) e con

rotore avvolto con i tre anelli dell’avvolgimento rotorico (b).

10.2.4 Il rotore del motore Sincrono

Il rotore del motore sincrono è costituito da magneti permanenti aventi diversi

poli di polarità alterna (N-S-N-S) o da avvolgimenti alimentati in corrente

Prima dell’introduzione degli

continua, anche detta corrente di eccitazione.

inverter, per superare il problema dell’avviamento del motore, spesso veniva 48

usato un trucco: Sul rotore di tipo avvolto, ad esempio, veniva posta una gabbia di

scoiattolo. Rotore avvolto con gabbia di scoiattolo

Il motore quindi, veniva avviato come se fosse un motore asincrono ed in seguito,

quando raggiungeva la velocità quasi di sincronismo, venivano alimentati gli

avvolgimenti rotorici ed applicato il carico. In questo modo si riusciva ad avere

un motore sincrono autoavviabile.

10.2.5 Collegamenti elettrici (sistema trifase)

Come abbiamo visto in precedenza, il sistema di alimentazione trifase è alla base

del principio di funzionamento dei motori sincroni e asincroni poiché per

generare il campo magnetico rotante, abbiamo bisogno di tre fasi di uguale

frequenza ma sfasate fra di loro.

Fondamentalmente è possibile collegare gli avvolgimenti del nostro motore, in

due diversi modi; il collegamento a stella o il collegamento a triangolo.

Naturalmente il motore deve essere predisposto a questi tipi di collegamento e

deve riportare sulla targhetta espressamente i dati di alimentazione. 49

Tipica morsettiera sul motore

Collegamento stella Collegamento triangolo (1,2)

Nei motori di piccola potenza (fino a 10KW), si può alimentare direttamente il

motore senza avere problemi di eccessivi assorbimenti sulla linea di

alimentazione.

Per motori di potenza superiore l’avviamento viene fatto in diversi modi, uno di

nell’avviare il motore

questi consiste con un collegamento a stella per limitare la

corrente e la tensione, in modo da fare partire il motore dolcemente; quando il

motore raggiunge la velocità desiderata, si stacca il collegamento stella e si

inserisce il collegamento triangolo che aggiunge potenza al motore (Fig. a).

Fig. b

Fig. a

Un’ altro modo è quello di inserire dei reostati in serie alle fasi del motore, per

ridurre la tensione di alimentazione in avvio (Fig. b) che progressivamente vanno

esclusi man mano che il motore raggiunge la velocità di regime. 50

L’inversione della

rotazione avviene

invertendo due fasi

dell’avvolgimento.

Di solito questa

operazione si fa a motore

fermo. è l’uso di un inverter.

Il modo più efficiente per controllare un motore asincrono

Tramite questo apparecchio è possibile controllare il motore sia nelle fasi di avvio

che di messa in regime in maniera lineare e costante ed inoltre potendo variare

anche la frequenza di alimentazione è possibile raggiungere velocità diverse da

quelle imposte dalla costruzione del motore stesso.

Poiché in questi tipi di motore, la velocità del campo rotante dipende dal numero

di coppie polari e dalla frequenza di alimentazione, è facile dedurre che a parità di

coppie polari se noi per esempio raddoppiamo la frequenza, la velocità risulterà

doppia. Schema base di un inverter trifase 51

I motori trifase possono essere adattati anche per funzionare in monofase. Si usa

un condensatore (C) per creare un campo magnetico rotante con una sola fase. In

questo modo in L3 avremo la corrente in anticipo mentre L1 e L2 si possono

collegare in serie o in parallelo (Fig. a). Qui sotto una tabella riassuntiva dei

possibili collegamenti a stella e a triangolo, nelle due varianti di senso di marcia

(Fig. b).

Fig. a Fig. b

10.2.6 Motori asincroni monofase

I motori asincroni monofase sono di uso comune.

Per creare un campo magnetico rotante con una sola fase si usano due

avvolgimenti statorici angolati di 90° e alimentati con due correnti anch’esse

sfasate di circa 90° elettrici mediante un condensatore collegato in serie ad una di

esse. Su L2 passa una corrente in anticipo rispetto a quella di L1. L2 ha di solito

una resistenza maggiore di L1. Per invertire il senso di rotazione, basta invertire i

poli di uno deg