verticale

Motori asincroni per l’automazione industriale

Descrizione dei metodi di controllo della velocità del rotore,
ed in particolare dei metodi di variazione della velocità
nominale. Sono stati presi a titolo di esempio i data sheet di
alcuni costruttori e successivamente un esempio di dimensionamento
del motore per un nastro trasportatore.

Scarica il PDF Scarica il PDF
Aggiungi ai preferiti Aggiungi ai preferiti


Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
Tesi di Laurea, Università di Padova, Anno Accademico 2009- 2010

Pubblicato
da Alessia De Giosa




Settori: 

Parole chiave: 


Estratto del testo
Universit` a degli Studi di Padova Facolt` a di Ingegneria Finito di scrivere il giorno 8 settembre 2010 utilizzando LATEX 2ε UNIVERSIT ` A DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLT ` A DI INGEGNERIA '' Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale '' TESI DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA DELL''AUTOMAZIONE MOTORI ASINCRONI PER L''AUTOMAZIONE INDUSTRIALE Relatore: Ch.mo Prof. Ing. GIULIO ROSATI Laureando: ROBERTO CHIENTAROLI ANNO ACCADEMICO 2009-2010 alla mia famiglia... '' Felix qui potuit rerum cognoscere causas - Felice colui a cui fu dato conoscere le cause delle cose.' Virgilio, Georgiche, II, 489 Indice Sommario XI Introduzione XIII 1 Struttura e funzionamento 1 1.1 Principio di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Struttura generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Statore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4 Rotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4.1 Rotore a gabbia di scoiattolo . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2 Rotore avvolto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Funzionamento con rotore fermo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6 Funzionamento con rotore in movimento . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6.1 Scorrimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6.2 Fenomeni tensioni-correnti nel funzionamento a vuoto . . . 12 1.6.3 Presenza di coppia al carico . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6.4 Potenze e rendimenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.7 Curve caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7.1 Caratteristica elettrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7.2 Curva coppia-velocit`a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.8 Motore asincrono monofase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.8.1 Funzionamento di un MAT con alimentazione monofase . . 25 2 Avviamento 27 2.1 Avviamento con reostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Avviamento con tensione ridotta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1 Resistori rotorici variabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.2 Auto-trasformatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.3 Stella-triangolo (Y/D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.4 Soft starting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 Inversione marcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3 Variazione velocit` a 39 3.1 Controllo velocit`a con asincrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.1 Variazione della resistenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.2 Cambiamento dei poli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.3 Modifica del modulo della tensione di alimentazione . . . . 42 3.2 Variazione frequenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2.1 Inverter: schema a blocchi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Modalit`a di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.3 Controllo con inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.3.1 Parametri di regolazione di un inverter scalare . . 48 4 Disponibilit` a del mercato 51 4.1 Dati di targa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.1 Gamma Nerimotori: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.2 Gamma Orientalmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.1.3 Gamma Motoinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2 Peculiarit`a rispetto ad un motore in c.c. . . . . . . . . . . . . . . 57 5 Scelta motore 61 Conclusioni 67 Glossario 69 Bibliografia 71 X Sommario In questo elaborato `e stato presentato per prima cosa il suo principio di fun- zionamento, e cio`e l''origine della coppia motrice, per poi analizzare la struttura della macchina in maggior dettaglio, presentando le diverse tipologie. Si `e passati successivamente all''analisi del funzionamento del motore, ricavando i grafici della coppia motrice e della corrente assorbita in funzione della velocit`a riuscendo a capire meglio il comportamento generale di questo tipo di motori ed in particolare il concetto di velocit`a auto-regolata. Si `e passati poi alla descrizione dei metodi di avviamento per ridurre i problemi di spunto quali coppia limitata ed elevata corrente assorbita. Fatto ci`o `e stata fatta la descrizione dei metodi di controllo della velocit`a del rotore, ed in particolare dei metodi di variazione della velocit`a nominale. Sono stati presi a titolo di esempio i data sheet di alcuni costrutto- ri e successivamente un esempio di dimensionamento del motore per un nastro trasportatore. Introduzione Il motore asincrono trifase (MAT) fu inventato nel 1885 da Galileo Ferraris. Es- so rappresenta il motore elettrico pi` u semplice, economico, robusto ed affidabile che la tecnica conosca. ` E ad elevato rendimento, non richiede lubrificazione, n´e manutenzione, non presenta alcuna difficolt`a o particolarit`a per l''avviamento e, pertanto, `e il dispositivo pi` u diffuso nell''utilizzazione dell''energia elettrica come ''forza motrice'. Pu`o inoltre essere semplicemente collegato direttamente alla rete di distribuzione con tensione e frequenza costanti se non si desidera una precisa velocit`a di utilizzo. Il principio che sta alla base del suo funzionamento `e il campo magnetico rotante generato nello statore per mezzo di circuiti fissi nello spazio e attraversati da correnti polifasi (solitamente trifasi). Esistono anche realizzazioni di motori asincroni monofase per applicazioni di piccola potenza. Se facciamo un confronto tra MAT ed altri tipi di motori elettrici riscontriamo i seguenti vantaggi: ' peso ed ingombro ridotti a parit`a di potenza ' mancanza di particolari dispositivi di eccitazione prelevando, direttamente dalla rete, la potenza magnetizzante necessaria per creare il flusso induttore della macchina ' `e autoavviante ' sviluppa, spontaneamente ed automaticamente, variando la propria velo- cit`a, una coppia motrice atta a controbilanciare la coppia resistente applica- ta all''albero motore, determinando un funzionamento stabile (all''aumentare del carico rallenta) ' sovraccaricabilit`a, anche il 100% della sua potenza nominale; esigenze di manutenzione molto ridotte, semplicit`a di esercizio ed alto rendimento ed i seguenti svantaggi: ' all''avviamento, con inserzione diretta sulla rete, la corrente di spunto pu`o risultare anche 4 - 10 volte maggiore della corrente assorbita a pieno ca- rico, con problemi alla rete di distribuzione (cadute di tensione) ed agli interruttori ' questa corrente risulta, inoltre, essere tanto sfasata rispetto alla tensione (come nei trasformatori in corto circuito) che la coppia motrice sviluppata dal motore all''avviamento, detta coppia di spunto, `e piccola nonostante l''elevato valore della corrente assorbita ' la velocit`a di rotazione del MAT, nel campo di funzionamento normale, pra- ticamente costante, perch´e strettamente legata alla frequenza della corrente di alimentazione ' la coppia massima (proporzionale al quadrato del rapporto tra il valor effi- cace della tensione di alimentazione e la frequenza) costante ed ad una ben precisa velocit`a Si intuisce quindi facilmente che qualora avessimo bisogno di determinate e pre- cise velocit`a o coppie, il MAT non `e l''ideale. Nel caso in cui, invece, non siamo interessati ad una determinata velocit`a dell''albero motore, ivi `e il regno incon- trastato di applicazione del MAT: montacarichi, gru, ascensori, macchine utensili tradizionali, pompe, ventilatori sono da decenni azionati in maniera soddisfacente da questo tipo di motore. Caratteristica importante del MAT `e la sua capacit`a di ''auto-regolarsi' qualora cambiasse il carico che movimenta il motore, riuscendo quindi a mantenere una velocit`a pressoch´e costante (entro certi limiti di variazione del carico). Oggigiorno l''elettronica di potenza, grazie ad inverter e modulatori di fase, rendono il MAT ancora pi` u flessibile per maggiori utilizzi. Si ha infatti che la velocit`a del motore asincrono `e strettamente legata alla freqenza (e intensit`a) XIV della rete di alimentazione. Riuscendo quindi a comandare la frequenza in ingresso al motore, si riesce a realizzare un controllo per il MAT. Si tratta comunque di un controllo non preciso che non pu`o essere paragonato ad un controllo di motori in corrente continua, brushless o passo-passo, ma che riesce comunque ad aumentare il campo di utilizzo del motore trifase asincrono. Il maggiore utilizzo di MAT si ha comunque per applicazioni semplici e senza l''ausulio di controllo. In conlusione il MAT `e, generalmente, sotto l''aspetto elettrico, un utilizzato- re trifase che provvede a convertire energia elettrica in meccanica per azionare meccanismi semplici ed economici, viene alimentato direttamente dalla rete, a ten- sione e frequenza costanti, e la sua velocit`a di rotazione `e praticamente costante in quanto lo scarto di velocit`a, da vuoto a pieno carico, non supera, generalmente, il 4%. Si pu`o anche notare che: ' il motore asincrono pu`o funzionare con un alimentazione qualunque di ten- sioni polifase simmetrice, ma poich`e la rete fornisce un''alimentazione trifa- se, nella pratica vengono realizzati esclusivamente motori asincroni trifase (esistono anche i motori asincroni monofase ma sono molto poco diffusi) ' questa macchina pu`o essere usata anche come generatore ma questo tipo di utilizzo `e assai poco diffuso, se non per un uso di ''freno motore' XV Capitolo 1 Struttura e funzionamento 1.1 Principio di funzionamento Come per qualsiasi altro motore elettrico, il principio di funzionamento del mo- tore asincrono si basa sulle azioni meccaniche (forze) che si esercitano tra ma- gneti/elettromagneti e correnti. Com''`e noto dalla fisica queste forze sollecitano i conduttori quando sono percorsi da corrente ed ''immersi' in un campo magneti- co. In particolare quando la corrente che transita nel conduttore `e perpendicolare alla direzione del campo magnetico, sul conduttore sar`a esercitata una forza di F = i '' l '' B misurata in Newton quando la corrente i `e misurara in ampere, l''intensit`a B del campo magnetico in Tesla e la lunghezza l del conduttore in metri. Mentre nei motori con un principio di funzionamento pi` u semplice, come quelli a corrente continua, si ha un campo mangetico fisso generato da magneti perma- nenti, il funzionamento del MAT si basa sull''impiego del campo magnetico rotante. Vediamo concretamente cosa accade prendendo in esame il caso in cui una spi- ra (di materiale conduttore) `e immersa in un campo magnetico rotante come illustrato in figura1.1: Consideriamo il caso in cui la spira abbia un perno e possa quindi ruotare libe- ramente (a velocit`a '0) attorno al suo asse, che `e parallelo o anche coicidente con quello di rotazione del campo magnetico B. Supponiamo che il campo magnetico del vettore induzione '' '' B sia uniforme e che tutte le linee di flusso costituiscano 2 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.1 : Spira in campo magnetico rotante [1] un complesso solidale rotante con velocit`a angolare ' intorno all''asse A - A'', in verso antiorario per chi guarda da A. Si avranno quindi fenomeni di induzione elettromagnetica sulla spira (legge di Faraday) quando ' 6= '0; nel caso in cui
' = '0, invece, non si avrebbe una variazione del flusso eletrtomagnetico, e quindi non ci sarebbero fenomeni elettromagnetici e quindi tantomento coppie motrici. Nel caso in cui la spira fosse ferma ('0 = 0) si avrebbe che il flusso del campo magnetico concatenato con essa varierebbe nel tempo con andamento sinusoidale a pulsazione '. Per la legge di Faraday questa variazione di flusso generer`a nella spira una f.e.m. indotta che a sua volta generer`a una corrente indotta anche lei con pulsazione '. Per la legge di Lenz questa corrente indotta sar`a tale da opporsi alla variazione che l''ha causata, e tender`a quindi ad annullare o comunque diminuire l''entit`a del moto relativo. Si avr`a quindi, in pratica, che la spira inizier`a a muoversi nello stesso verso di rotazione del campo magnetico rotante B, cercando quindi di diminuire la velocit`a relativa del campo B rispetto alla spira, come illustrato in figura 1.2: I ben noti fenomeni elettromagnetici che danno luogo a coppie meccaniche, hanno luogo, nel sistema considerato, solo se nella spira circola corrente. Questa corrente non pu`o esistere che per ''induzione', la quale pu`o sostenersi solo se la spira ruota in maniera ''asincrona' rispetto al campo rotante, cio`e ruota con una velocit`a angolare diversa da '; nasce da qui l''aggettivo ''asincrono' adoperato per 1.1. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO 3 Figura 1.2 : Generazione coppia motrice nel motore asincrono [1] definire questo tipo di motore, o anche motore ad ''induzione'1 non tanto perch´e il fenomeno dell''induzione elettromagnetica sia fondamentale, come del resto lo `e per tutte le macchine che sfruttano tale fenomeno, ma perch´e la parte rotante `e sede esclusivamente di correnti indotte, indispensabili per il suo funzionamento. Ci`o detto, si evince che la spira deve quindi ruotare attorno all''asse A-A'' con una velocit`a '0 diversa da '. In base alla relazione tra la velocit`a della spira e del campo magnetico si possono distinguere i seguenti casi: ' nel caso in cui 0 < '0 < ' la coppia motrice generata dalla corrente indotta sulla spira `e concorde con il verso di rotazione del campo magnetico, e si avr`a quindi un funzionamento di motore ' se invece '0 > ' si avr`a l''effetto contrario: la coppia generata sar`a discorde con il verso del campo magnetico, e si avr`a un funzionamento da generatore ' supposto il campo magnetico con verso di rotazione positiva ' > 0 ed avendo la spira che si muove forzatamente con verso opposto, '0 < 0 si avr`a un funzionamento da freno Concettualmente anche nel funzionamento di generatore si ha una sorta di freno con una coppia motrice che tende a frenare la spira, per`o in questo funzionamento 1nella cultura anglosassone viene chiamato ''induction motor' 4 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO viene inviata sulla rete molta energia elettrica, mentre nel funzionamento di freno vi `e una consistente parte di energia persa per effetto joule. Qui verr`a trattato prevalentemente il funzionamento di motore, in quanto `e il tipo di uso prevalente nelle applicazioni industriali di nostro interesse. Si pu`o quindi ora capire cosa si intende quando si dice che il MAT `e capace di auto-regolarsi (in regime di motore), cio`e di mantenere la stessa velocit`a con una variazione della coppia al carico lasciando invariata l''alimentazione: si ha questo perch`e, una volta raggiunto un punto di equilibrio ad una certa velocit`a, aumentando la coppia resistente si avrebbe una conseguente diminuzione della velocit`a della spira, mentre il campo magnetico rotante continuerebbe a girare alla stessa velocit`a. Aumenta quindi la differenza di velocit`a tra quella della spira e di B, con un conseguente aumento della corrente indotta nella spira che cercher`a di riportarsi alla precedente velocit`a di scorrimento. Quanto qui detto ha preso in esame una semplice spira ed un campo magnetico rotante, ma in linea di massima quanto detto sta alla base del funzionamento del motore asincrono. 1.2 Struttura generale Si nota in figura che, come nel caso dei motori elettrici pi` u comuni, anche il MAT `e formato da due parti cilindriche coassiali, una esterna, fissa, chiamata statore ed una interna, che ruota libera e collegata all''albero motore chiamata rotore. Nella figura 1.3 si possono osservare le seguenti parti: 1. albero con chiavetta 2. anello della gabbia 3. sbarra di rame 4. morsettiera 5. ventola di raffreddamento 6. spaccato delle matasse degli avvolgimenti di statore 1.2. STRUTTURA GENERALE 5 Figura 1.3 : Spaccato di motore asincrono [1] 7. spaccato del circuito magnetico statorico 8. pacco del circuito magnetico rotorico 9. alette di raffreddamento della carcassa esterna. Tra statore e rotore `e presente una piccola intercapedine che li separa, costituita da aria, detta traferro. Questa intercapedine `e sempre realizzata del minor valore possibile e valori tipici sono compresi tra qualche decimo di millimetro e qualche millimetro, a seconda della variazione della dimensione del motore. Ovviamente questo valore non pu`o essere troppo piccolo da una parte per la presenza di giochi meccanici e imprecisioni in fase di costruzione che porterebbe ad uno sfregamento tra le parti, mentre dall''altra parte si ha un problema di raffreddamento dello statore. Lo statore, come si vede in figura1.4, `e formato da un pacco di lamierini costituiti di ferro e silicio a forma di corona circolare, isolati tra loro, ed `e munito al suo interno di cave in cui trovano posto i conduttori costituenti l''avvolgimento di statore, sempre di tipo polifase. 6 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.4 : Statore e carcassa di motore asincrono [1] Figura 1.5 : Rotore macchina asincrona [1] A sua volta lo statore `e contenuto nella carcassa (Fig 1.4), che costituisce la struttura portante del MAT e prevede la possibilit`a di essere fissata ad un supporto rigido. Anche il rotore, mostrato in figura1.5, `e costituito anch''esso da un pacco di lamierini di ferro arricchiti di silicio, all''interno del quale passa l''albero di rotazione e nella cui parte esterna sono disposte un certo numero di cave in cui sono allocati i conduttori che costituiscono l''avvolgimento di rotore. Un altro aspetto da non trascurare `e il problema del raffreddamento del MAT; raffreddamento che, a seconda della potenza della macchina, pu`o essere naturale, forzata o con scambiatori di calore (aria - aria oppure aria - acqua). All''aumentare della potenza crescono le perdite e, quindi, il riscaldamento, ma la superficie disperdente della macchina non cresce secondo la stessa legge, per cui si avr`a un aumento della temperatura. Ne deriva un limite superiore a questa potenza, 1.3. STATORE 7 Figura 1.6 : Poli rotore-statore [2] in rapporto alle caratteristiche costruttive e al dimensionamento del MAT, non dovendosi mai raggiungere temperature eccessive tali da portare al degradamento delle parti isolanti. ` E per questo motivo che, nelle macchine di elevata potenza, vengono lasciati degli spazi vuoti (canali di raffreddamento) lungo lo sviluppo assiale dello statore. Bisogna anche ricordare che ogni materiale isolante ha una propria ''vita'', che `e il periodo di tempo durante il quale le sue caratteristiche risultano idonee alle funzioni alle quali `e deputato e che `e accertato che la vita dell''isolante `e tanto pi` u breve quanto pi` u alta `e la temperatura a cui lavora. Da ci`o segue che, considerato che le comuni macchine elettriche sono destinate a funzionare alcune decine di anni, le temperature del MAT non devono superare determinati valori che dipendono dalla ''classe d''isolamento'' dei materiali isolanti utilizzati. 1.3 Statore Lo statore prevede un avvolgimento trifase, costruito mediante un numero ''p' di coppie di poli, ed alimentato da rete trifase. Per la perfetta centratura del 8 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.7 : Simboli grafici del tipo di rotore [1] rotore, dato il piccolo traferro, la parte interna dello statore e quella esterna del rotore sono passati al tornio, per correggere eventuali imperfezioni. Lo spessore del traferro deve tener conto, in special modo, delle oscillazioni del rotore o degli spostamenti dell''asse di rotazione a causa dell''usura dei cuscinetti: mai rotore e statore devono venire a contatto, pena l''irreparabile danneggiamento del motore stesso. La relazione che lega la frequenza nomianale f di alimentazione, il numero di poli p e la velocit`a n del campo magnetico rotante `e la seguente: n = 60 f p ed `e quindi strettamente legata al tipo all''alimentazione. Ora, essendo la fre- quenza f costante (a meno di utilizzare un inverter) e p un numero intero, il numero di giri al minuto n del campo magnetico rotante potr`a assumere sola- mente certi valori e, poich´e la velocit`a effettiva di rotazione di un MAT `e solo leggermente inferiore a quella di sincronismo (1.4), queste saranno le sole velocit`a possibili per un MAT. Se per esempio un motore ha p = 4 coppie di poli, alla frequenza f = 50 Hz, la velocit`a di rotazione dell''albero `e molto prossima a n = 750 giri/min. 1.4 Rotore In dipendenza del tipo di avvolgimentopresente sul rotore, si possono distinguere almeno 2 casi, i quali vengono rappresentati negli schemi industriali con i grafici di figura 1.7: 1.4. ROTORE 9 Figura 1.8 : Rotore a gabbia di scoiattolo [1] 1.4.1 Rotore a gabbia di scoiattolo Chiamato anche ''rotore in corto-circuito' questo tipo di avvolgimento realizza il pi` u semplice e robusto dei MAT: si infila una sbarra di rame (il materiale dipende dai metodi costruttivi ma tipicamente `e rame) all''interno di ognuno dei canali del rotore, e le estremit`a di queste sbarre vengono chiuse da un anello (di rame), come illustrato nella figura 1.8. Per le sue caratteristiche si avr`a una resistenza di rotore molto bassa e le tensioni che si andranno a generare sul rotore non saranno elevate; nonostante non siano elevate si avranno comunque elevati valori di corrente, dato il basso valore della resistenza. In pi` u non presenta un numero di poli proprio, ma si adegua naturalmente al numero di poli dello statore. Queste caratteristiche portano ad un inconveniente all''avviamento del motore: in queste condizione si pu`o paragonare il MAT ad un trasformatore, dove il circuito secondario `e il rotore, fermo, chiuso in corto circuito. In queste condizioni le correnti statoriche possono assumere anche 4-10 volte (a seconda dei canoni di costruzione del rotore) il valore della corrente nominale. Nonostante l''elevato valore di corrente assorbita, la coppia motrice generata allo spunto `e particolarmente bassa. Pare ovvio che in applicazioni di elevata potenza questa caratteristica non sia affatto trascurabile. Bisogna quindi cercare di limitare queste elevate correnti e lo sfasamento tra tensioni e correnti 10 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.9 : Schema rotore avvolto [1] all''avviamento di un motore di media-elevata potenza sotto carico. Per ridurre la corrente risulta ovvio che l''operazione pi` u semplice da effettuare sia quella di aumentare la resistenza rotorica negli istanti dell''avviamento2. Per far ci`o nelle applicazioni di elevata potenza si preferisce usare un tipo di rotore alternativo, il rotore avvolto. 1.4.2 Rotore avvolto In questo tipo di configurazione del rotore, nelle cave rotoriche presenti sul ro- tore vi `e un normale avvolgimento, simile a quello presente nello statore, di tipo trifase e collegato a stella. I capi di queste fasi vengono collegati a degli anelli conduttori, calettati sull''albero del motore ma isolati da questo, sui quali poggia- no 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 velocit`a di rotazione e completamente escluso, cortocircuitato, in condizioni di normale funzionamento. Questo reostato ha il compito, come precedentemente detto, di variare il valore della resistenza rotorica, riuscendo ad avere un''elevata resistenza rotorica all''av- 2per contro una maggiore resistenza comporterebbe un minor rendimento a regime, bisogna quindi limitare l''aumento di resistenza solo durante l''avviamento 1.5. FUNZIONAMENTO CON ROTORE FERMO 11 Figura 1.10 : Spaccato motore con diverso tipo di rotore[1] viamento e via via minore all''aumentare della velocit`a dell''albero motore, fino ad escluderlo lasciando unicamente la resistenza degli avvolgimenti. Va fatto notare che in questa configurazione il numero di poli di statore e rotore deve essere lo stesso, mentre il numero delle fasi pu`o anche essere di valore diverso. La figura1.10 illustra lo spaccato di due MAT con diversa cofigurazione roto- rica: Per quanto visto riguardo i problemi d''avviamento del MAT, risulta compren- sibile perch`e si cerca di evitare di fermarlo, soprattutto in applicazioni di elevata potenza. 1.5 Funzionamento con rotore fermo Sotto l''aspetto elettrico un MAT con rotore fermo si comporta sostanzialmente come un trasformatore trifase, in cui lo statore assume il ruolo di primario ed il rotore quello di secondario.[1] 1.6 Funzionamento con rotore in movimento 1.6.1 Scorrimento Molto spesso quando si parla di motori asincroni, si fa uso della variabile detta ''scorrimento', che lega velocit`a del motore e la velocit`a del campo magnetico 12 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO rotante, strettamente legata alla fase della rete di alimentazione. La velocit`a del campo magnetico rotante `e data da no = 60f p [rpm] dove le variabili sono: f : frequenza delle correnti statoriche p : numero delle coppie di poli della macchina (presenti nello statore) Detta n2 la velocit`a di rotazione (sempre in RPM) del rotore, si definisce lo scorrimento s = n0 '' n2 n0 Si pu`o notare che il numeratore di questa relazione rappresenta la velocit`a relati- va del campo magnetico rotante rispetto ai circuiti del rotore. Si pu`o quindi dire che lo scorrimento rappresenta la frazione di giri persi dal rotore rispetto al cam- po magnetico rotante, per ogni suo giro. Lo scorrimento pu`o assumere qualsiasi valore, ma verr`a qui considerato il caso in cui s '' [0, 1], cio`e il caso in cui il MAT
si comporta proprio da motore, e non da freno o generatore. In particolare si avr`a s = 0 quando il rotore va alla stessa velocit`a del campo magnetico (velocit`a di sincronismo) ed s = 1 quando il rotore `e fermo (sfasamento massimo). Si pu`o considerare lo sfasamento anche in termini delle velocit`a angolari '1 e '2. 1.6.2 Fenomeni tensioni-correnti nel funzionamento a vuo- to Prendiamo in analisi il caso ideale con statore alimentato con sistema trifase (simmetrico con sfasamenti di 120° gradi quindi) di tensioni con valore efficace e frequenza nominali. Supponiamo inoltre che l''avvolgimento rotorico sia chiuso (standard) e che non sia presente una coppia resistente all''albero (oltre al carico generato dagli attriti interni, seppur limitati). In queste condizioni di funziona- mento il motore inizier`a a ruotare fino a portarsi ad una velocit`a prossima alla velocit`a di sincronismo (dipendente dalla frequenza nominale di alimentazione dello statore). Si passer`a quindi da uno scorrimento iniziale di s = 1 fino ad arri- vare ad s ' = 0. In questo caso (funzionamento a vuoto) il MAT assorbe dalla rete 1.6. FUNZIONAMENTO CON ROTORE IN MOVIMENTO 13 di alimentazione una terna di correnti nominali comprese tra (20, 40) % del loro valore nominale. Nella prima fase (sar`a analogo per le altre 2) dei conduttori di statore, vengono indotte le f.e.m. di valore efficace (sempre per s ' = 0) E1 = kf N1' dove k `e detto fattore di Kapp, f la frequenza nominale, N il numero di avvolgimenti della fase e ' il flusso del campo magnetico. Mentre sul rotore non saranno presenti f.e.m. indotte in quanto rotore e campo magnetico rotante girano alla stessa velocit`a (circa), non generando variazioni di flusso e conseguente tensione indotta. Oltre al flusso principale concatenato tra avvolgimenti di statore e rotore, `e presente anche un flusso che si disperde, e quindi la tensione applicata ad ogni fase statorica sar`a data da (in forma fasoriale) V 1 = E1 + R1I10 + j X1I10 dove X1 `e la reattanza di dispersione della fase statorica e R1 `e la resistenza di disperzione della fase statorica, entrambe attraversate da corrente I10. In queste condizioni il MAT assorbe le potenze P0 = 3V I0cos'0 e Q0 = 3V I0sen'0 La potenza attiva `e dovuta (sempre nell''ipotesi di funzionamento a vuoto) alle dispersioni nel conduttore statorico, a cicli di isteresi, a causa di correnti parassite, perdite meccanice dovute ad attriti tra cuscinetti e ventilazione per la quasi totalit`a e si considerano trascurabili le perdite nei circuiti rotorici. 1.6.3 Presenza di coppia al carico Quando al MAT viene applicata una coppia resistente al carico, esso funzioner`a sotto carico. In questo caso l''albero rallenter`a, aumentando la velocit`a di sincro- nismo ed inducendo delle correnti rotoriche, che genereranno una coppia motrice atta a contrastare il carico. Il motore raggiunger`a quindi, in breve tempo, un nuo- vo punto di equilibrio ad una velocit`a minore di quella di sincronismo. Maggiore `e la coppia resistente, tanto maggiore sar`a lo scorrimento s. 14 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Inoltre le f.e.m. rotoriche indotte avranno ampiezza e frequenza che variano a seconda dello scorrimento. Le variazioni di flusso concatenato avvengono con frequenza f2 = n0''n2 60 p = n0 '' n 2 n 0 n0 60 p = sf dove n0 ed n2 sono rispettivamente le velocit`a del campo magnetico rotante e del rotore e avranno valore efficace E1s = sE10 3 Si pu`o quindi notare che (come per il caso elementare di una semplice spira visto precedentemente) sia la f.e.m. indotta che la frequenza f2 sono legate con rapporto di proporzionalit`a diretta allo scorrimento s. In particolare quando il rotore ruota alla velocit`a di sincronismo, s=0 si nota che sia la f.e.m. che f2 valgono 0, in quanto non c''`e nessuna variazione di flusso che pu`o indurre delle tensioni-correnti rotoriche. E quando s=1, rotore fermo, f2 = f e si ha la stessa f.e.m., si ha cio`e un comportamente da trasformatore. Nel caso generico in cui s '' (0, 1) le tensioni indotte presenti nel rotore, con frequenza f2, genereranno a loro volta un altro campo magnetico rotante, che avr`a velocit`a n = n0 '' n2
ricordando per`o che il rotore ruota con velocit`a n2, questo campo magnetico ruota rispetto allo statore con velocit`o n0 '' n2 + n2 = n0 ; ruota quindi alla stessa
velocit`a del campo magnetico rotante generato dallo statore. Dal loro risultate ha origine il flusso al traferro. Si pu`o ora considerare, per continuare l''analisi di funzionamento del MAT, lo studio di una sola fase. Sono presenti in ogni fase le resistenze ohmiche R1 ed R2 degli avvolgimenti di statore e rotore. Troviamo poi in serie a queste, le reattanze di dispersione dello statore e del rotore: X1 = '1L1 e X2 = sX20 (sfruttando le propriet`a della frequenza delle tensioni rotoriche dipendenti dallo scorrimento) dove X20 `e la reattanza di dispersione di una fase rotorica a rotore fermo. Avremo poi, quindi, la corrente I2 = E20 R2 s +j X 20 3dove il pedice 0 ricorda il motore fermo 1.6. FUNZIONAMENTO CON ROTORE IN MOVIMENTO 15 Figura 1.11 : Circuito equivalente MAT[1] che circoler`a nel rotore chiuso in corto circuito. Si nota quindi che ogni fase rotorica presenta tensione e corrente a frequenza fissa, corrispondente a quella della rete, ed `e come se avesse in pi` u un resistore che varia a seconda dello scorrimento. Possiamo scomporre questo resistore variabile come segue: R2 s = R2 + R2 1''s s dove la parte R2 rappresenta la vera e propria resistenza che dipende dalla fase, mentre il secondo termine si pu`o considerare come una resistenza fittizia con lo scopo di rappresentare il carico meccanico del motore (carico che influenza lo scorrimento). Circuiti Equivalenti Date le analogie con i trasformatori, si pu`o quindi rap- presentare ogni singola fase con un circuito equivalente, come in figura1.11: Troviamo in questo schema rappresentati gli avvolgimenti statorici (circuito primario), il trasformatore a rappresentare l''accoppiamento magnetico e gli av- volgimenti rotorici (circuito secondario). Si noti che `e una buona rappresentazione in quanto nei casi limite troviamo quanto analizzato nei casi precedenti.[1] 1.6.4 Potenze e rendimenti Sappiamo che, dato il tipo di alimentazione trifase simmetrica, un MAT consuma una potenza apparente A = P + jQ = 3ViIi 16 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO e la potenza attiva P `e data da P = 3ViIicos'0 Ovviamente questa `e la potenza assorbita dalla rete, ma non `e tutta fruibile all''albero motore; parte di questa va persa per attriti ed effetti joule, riuscendo a determinare la potenza utile effettiva disponibile all''albero motore. Analizziamo quindi le potenze dissipate e non utili: ' Perdire nel ferro (considerato solo per lo statore) PFe, considerate in base alla potenza assorbita dalla resistenza R0: PFe = 3 V 2 i R0 ' Perdite (nello statore) PCu dovute all''effetto joule degli avvolgimenti: Pcu = R1I21 ' Perdite addizionali PADD: non sono facilmente calcolabili e sono imputabili all''intera macchina. Sono dovute a correnti parassite, alla non perfetta uni- formit`a delle correnti negli avvolgimenti e vengono poste abitualmente pari allo 0.5% della potenza utile del motore Partendo quindi dalla potenza totale P abbiamo ora il valore della potenza PT , che `e il valore della potenza effettivamente trasmessa dal campo rotante al rotore. Essa si ricava quindi partendo dalla potenza totale e sottraendo le potenze dissipate- perse: PT = P '' PFe '' PCu '' PADD
Sappiamo infatti che, per il principio della conservazione dell''energia in un trasformatore, questa potenza PT `e quella entrante nel circuito primario, e quindi equivalente a quella uscende dal circuito secondario, secondo la rappresentazione realizzata nel circuito equivalente di fig1.11. Come si nota dal circuito equivalente, questa potenza trasmessa verr`a tutta dissipata nell''unico elemento dissipativo, di resistenza R2/s: PT = 3 R2 s I 2 2 possiamo inoltre scomporre questa potenza, portando da una parte la parte dissipativa per effetto joule negli avvolgimenti rotorici, ed ottendendo (per il principio di conservazione dell''energia) dall''altra parte, la potenze utile-meccanica disponibile all''albero motore: 1.6. FUNZIONAMENTO CON ROTORE IN MOVIMENTO 17 PT = 3 R2 s I 2 2 = 3R2I 2 2 + 3R2 1''s s I 2 2 dove il primo addendo, PCu2, rappresenta la potenza dissipata per effetto joule negli avvolgimenti rotorici ed in eventuali ulteriori resistenze (vedi reostato di avviamento) mentre il secondo addendo rappresenta la potenza convertita in potenza mec- canica utilizzabile PC. Analizzando le equazioni delle potenze si ricava inoltre il rapporto PCu2 = sPT . Chiamando PM la potenza meccanica dovuta ad attriti o messa in movimento di sistemi di ventilazioni, abbiamo infine la potenza utile PU data da: PU = PC '' PM. Si pu`o ricavare un''ulteriore relazione tra potenze, molto utile per comprendere perch´e `e bene cercare di far funzionare i MAT a velocit`a prossime a quelle di sincronismo: PC = (1 '' s) PT che evidenzia che minore `e lo scorrimento (maggiore velocit`a del MAT) mag- giore `e la potenza trasmessa convertita in meccanica. Quanto detto `e evidenziato dalla figura 1.12. L''elemento pi` u chiaro `e l''elevato valore di potenza assorbita dalla rete per velocit`a del motore diverse da quelle prossime a alla velocit`a di sincronismo. Risulta quindi evidente perch`e per motori di grossa taglia non si possa trascurare il valore di Pin,MAX e bisogna prendere degli accorgimenti per ridurre la potenza assorbita all''avviamento. Quando invece il motore raggiunge velocit`a prossime a quella di sincronismo (basso scorrimento) la differenza da potenza assorbita e potenza generata `e quasi nulla, avendo quindi un elevato rendimento. Come in ogni altra macchina, si ha il rendimento, dato dal rapporto tra la potenza utile all''albero motore e la potenza resa: η = Pout Pin Tipicamente il valore del rendimento `e proporzionale alla potenza della mac- china, ed inversamente proporzionale al numero di poli della stessa. Valori tipici variano tra 0.65 per motori di ridotta potenza e 0.97 per motori con elevata potenza. 18 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.12 : Potenza assorbita e generata [3] La figura 1.13 illustra l''andamento del rendimento al variare della velocit`a. si nota che, il rendimento `e tanto maggiore quando pi` u ci si avvicina alla velocit`a di sincronismo. Questo `e abbastanza intuitivo in quanto all'' avviamento c''`e un elevato assorbimento di potenza a rotore fermo, mentre a velocit`a di sincronismo la potenza assorbita `e quasi nulla ed il rendimento raggiunge quasi il valore uni- tario. Con i dati di questo esempio la velocit`a di rotazione del MAT senza carico sar`a di poco inferiore a 1200 giri (1176RPM) a cui corrisponde uno scorrimento di 0.02[3]. Quanto detto per le potenze al rotore, possono essere amplificate per le coppie, avendo la coppia motrice utile data dalla coppia trasmessa meno la coppia di attrito. 1.7 Curve caratteristiche 1.7.1 Caratteristica elettrica Il grafico di figura 1.14 presenta sull''asse delle ascisse la velocit`a di scorrimento tra 1 e 0, e cio`e limitato al cose nel quale il MAT funge da motore. Sull''asse delle ordinate `e invece presente il rapporto tra la corrente assorbita e la corrente massima assorbita (corrispondete al caso di scorrimento ''infinito'). La corrente 1.7. CURVE CARATTERISTICHE 19 Figura 1.13 : Andamento del rendimento di un MAT [3] `e funzione di I21 = ρ(V1, R21, s, R1,XT ) e la famiglia di curve del grafico `e stata trovata lasciando costanti le variabili (V1, R1, XT ) e variando R21, tutto in fun- zione dello scorrimento (o equivalentemente della velocit`a del rotore). Lasciando invariate quelle variabili `e come se considerassimo le caratteristiche costruttive di un solo motore, e variando R21 `e come se cambiassimo la resistenza rotorica, per esempio con un reostato. La curva pi` u rapida si ottiene con il valore minimo di R21, che si ottiene con il rotore in cortocircuito e l''inclinazione delle altre curve decresce con il crescere di R21, mentre il valore massimo all''infinito non dipende da R21 (non si riesce ad apprezzare in questo grafico). Quando il rotore aumenta di velocit`a, diminuisce lo scorrimento, e la corrente diminuisce, in quanto diminuisce la f.e.m. indotta con scorrimento minore. In particolare si ha corrente nulla a scorrimento nullo (velocit`a di sincronismo) e corrente massima all''avviamento del motore (motore fermo). Bisogna anche tenere presente che per bassi valori di R21il valore della corrente rimane elevato e quasi costante finch`e il motore non raggiunge circa il 70% della velocit`a di sincronismo. Riassumendo si ha quindi la corrente massima all''avviamento, corrente che 20 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO Figura 1.14 : Corrente assorbita dalla rete in funzione dello scorrimento [1] decresce progressivamente fino a diventare pressoch`e nulla quando il motore ruo- ta a velocit`a prossime a quella di sincronismo. Tutto ci`o giustifica la necessit`a di metodi per migliorare i consumi all''avviamento e sar`a utile per capire come risolvere tale problema. 1.7.2 Curva coppia-velocit` a La coppia utile che il motore fornisce al carico, `e data da C = PT '0 . Facendo ora riferimento all''espressione per la coppia utile PT = 3 R2 s I 2 2 ed alla caratteristica elettromeccanica I21 = V1 q (R1+ R21 s ) 2 +X 2 T si ottiene PT = 3 R21 s I 2 21 = 3 R21 s V 2 1 (R1+ R21 s ) 2 +X 2 T e ricordando la relazione '0 = '1 p 1.7. CURVE CARATTERISTICHE 21 Figura 1.15 : Andamento della coppia motrice in funzione dello scorrimento [1] si ottiene l''espressione per la coppia in funzione dello scorrimento (o equiva- lentemente della velocit`a del rotore): C = 3p '1 V 2 1 R21 s (R1+ R21 s ) 2 +X 2 T Il cui andamento `e rappresentato nella figura1.15: Si nota dall''illustrazione che il tratto che analizzeremo sar`a per 0<s<1, cio`e quando il MAT si comporta effettivamente da motore. Importante notare che quando lo scorrimento `e nullo (velocit`a rotazione=velocit`a sincronismo) non si ha coppia motrice al carico. Si nota inoltre dalla formula matematica che la coppia ha un andamento proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione, che influisce quindi notevolmente sulle prestazioni del motore. Partendo da rotore fermo, s=1, il rotore inizia a muoversi ed assume il valore di coppia massima CMAX = 3p '1 V 2 1 '' R 2
1 +X 2 T R 2
1 +X 2 T +R 1 '' R 2
1 +X 2 T che si ottiene in corrispondenza del valore di scorrimento s* s'' = R21 '' R 2
1 +X 2 T dove valori tipici sono 0.1 ' s'' ' 0.2. Si possono molte volte trovare delle formule semplificate, trascurando R1 rispetto XT , ottenendo 22 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO s'' ' = R21 XT ottenendo CMAX ' = 3p '1 V 2 1 1 XT quando si hanno piccoli valori per R1. Si nota come la coppia massima disponibile sia inversamente proporzionale alla reattanza di dispersione XT ed `e per questo motivo che si cerca di ridur- re al minimo la dimensione del traferro, ricordando per`o che il limite inferiore per la dimensione del traferro `e dato dai giochi dell''albero motore e da imper- fezioni costruttive. La coppia massima non `e invece dipendente dal valore della resistenza R21, come si pu`o notare dall''espressione per la coppia massima e com''`e evidenziato dal grafico. La resistenza dei circuiti rotorici R21 influenza invece il posizionamento di s*. Si trova quindi che, aumentando la resistenza R21 la coppia massima si ha ad una minore velocit`a (maggiore scorrimento). La coppia di avviamento si ricava dall''espressione della coppia: CAV V = C (s = 1) = 3p '1 V 2 1 R21 (R1+R21) 2 +X2 T Si nota che, trascurando R1 + R21 rispetto adXT , la coppia all''avviamento `e proporzionale con R21. Si avr`a in particolare che essa sar`a coincidente con CMAX quando R1 + R21 = XT . Queste relazioni saranno molto utili quando si parler`a dell''avviamento del MAT tramite reostato. Valori tipici della coppia di spunto all''avviamento sono 0.2CMAX ' CAV V ' 0.5CMAX. Ultima cosa da notare `e come la coppia negativa che si oppone al movimento quando il MAT funziona da generatore, `e molto maggiore in modulo rispetto al caso in cui funzioni da motore. Passiamo ora ad analizzare come l''andamento della coppia del MAT si ri- percuote nel suo funzionamento, soprattutto quando varia il carico. Per far ci`o prendiamo in analisi la figura 1.16, che `e equivalente alla precedente dove si `e posta la velocit`a del rotore e del campo magnetico invece dello scorrimento, e si `e limitato li dominio ai soli casi in cui il MAT funziona da motore: Nella figura1.16 sono presenti CMAX e CAV V che sono state descritte pre- cedentemente. nCR rappresenta la velocit`a dell''albero motore in corrispondenza della quale si ha la coppia massima. Questa velocit`a `e direttamente ricavabile dal- lo scorrimento s* conoscendo numero di poli dello statore e frequenza nominale della rete, trovando cos`ı la velocit`a del campo magnetico rotante n0. Notiamo che questa curva presenta due rami con andamenti significativamente 1.7. CURVE CARATTERISTICHE 23 Figura 1.16 : Coppia motrice in funzione della velocit`a di rotazione del rotore [1] differenti: uno a sinistra ed uno a destra della velocit`a nCR. Il primo ramo `e con derivata positiva, ascendente, mentre il secondo `e con derivata prima molto maggiore (in modulo) e negativa, ramo discendente. Nel primo tratto, che `e un tratto instabile, ad un aumento della coppia al carico il motore rallenter`a; ora ad una velocit`a minore corrisponde qui una coppia motrice minore, e quindi il motore tender`a (se non diminuisce la coppia al carico) via via a rallentare fino a fermarsi completamente. Nel secondo tratto invece, tratto stabile, ad un aumento della coppia al carico, corriponde si una velocit`a minore, ma a questa velocit`a minore qui corrisponde una coppia motrice disponibile maggiore, che contraster`a l''aumento del carico. La nuova condizione di equilibrio sar`a raggiunta dopo una serie di oscillazioni intorno alla nuova velocit`a del motore, ed il tutto dipender`a ovviamente dalla coppia al carico, dalla velocit`a con cui varia la coppia al carico, dalle inerzie in gioco e dagli attriti e smorzamenti del moto. Bisogna comunque notare che se si applica una coppia resistente eccessiva tale per cui il motore rallenta fino ad una velocit`a inferiore a nCR il motore entrer`a nella zona di funzionamento instabile e quindi non riuscir`a pi` u ad autoregolarsi. Il punto di lavoro in cui dovrebbe lavorare normalmente il MAT `e caratterizza- to dalla velocit`a nF e dalla coppia CF e solitamente questo pdl si trova nel secondo 24 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO ramo di funzionamento, nel tratto stabile. Solitamente nel tratto stabile il valore della coppia scende molto velocemente, cosicch`e n0 '' nCR assume solitamente
valori molto bassi, e quindi la velocit`a di rotazione ad una variazione del carico resta pressoch`e costante: valori tipici per il tratto stabile sono 0.03 < s < 0.1. 1.8 Motore asincrono monofase Per potenze modeste si fa spesso uso di motori asincroni monofase. Questo ti- po di motore asincrono `e utilizzato quando non si disponga di un''alimentazione trifase o per applicazioni con una potenza limitata a qualche kW. Esempi di ap- plicazioni possono essere motori per uso domestico quali piccoli elettrodomestici o ventilatori, pompe o comunque piccoli sistemi. Gli aspetti costruttivi di questi motori sono praticamente uguali a quelli dei motori trifase, ma a parit`a di dimensioni e velocit`a generano una coppia ridotta della met`a e l''andamento della coppia `e peggiore, come vedremo. L''avvolgimen- to statorico `e ad avvolgimento monofase ed il rotore presenta solitamente una configurazione a gabbia di scoiattolo, date le modeste potenze. Dall''azione tra campi magnetici alternativi generati dall''alimentazione mono- fase, e dalle correnti indotte, vengono generate due coppie motrici. Queste coppie sono uguali ed opposte e quindi se il motore `e fermo queste si equilibrano a vi- cenda ed il motore non genera coppia allo spunto e non partir`a. Avviando per`o il motore, anche solo con una spinta, il motore continuer`a a girare nel verso dello spunto iniziale ed accelerer`a fino a portarsi ad una velocit`a prossima a quella di sincronismo. Ci`o `e dovuto al fatto che la coppia dovuta al campo che ruota nello stesso senso del rotore (campo diretto) diventa maggiore rispetto alla coppia do- vuta all''altro (campo inverso) e nasce quindi una coppia risultante con un verso pari a quello del rotore. Ne deriva che il motore asincrono monofase non ha un suo senso di rotazione, ma assume quello che gli viene impresso. Si pu`o calcolare[2] la coppia risultante generata a partire dai valori di scorrimento partendo dai due campi magnetici, figura 1.17: Si nota subito che questo tipo di motore non ha coppia nulla solamente a velocit`a di sincronismo, ma anche a velocit`a nulla e si pu`o anche notare che 1.8. MOTORE ASINCRONO MONOFASE 25 Figura 1.17 : Coppia di motore monofase[1] questo motore ha bisogno di lavorare ad una maggiore velocit`a di sincronismo ed ha un rendimento minore nella parte a velocit`a pi` u bassa. Vengono spesso usati nella pratica accorgimenti per far si che il motore inizi a muoversi anche senza la spinta iniziale. Una soluzione consiste di dotare lo statore di 2 avvolgimenti sfasati di '/2, di cui uno perennemente inserito ed un secondo usato per l''avviamento. Il disinserimento dell''avvolgimento ausiliaro avviene tramite un interruttore centrifugo che interviene solitamente a 3/4 della velocit`a di sincronismo. Pu`o inoltre l''avvolgimento secondario essere attraversato da notevoli correnti per generare una buona coppia di spunto dato che viene utilizzato per un lasso di tempo relativamente breve. 1.8.1 Funzionamento di un MAT con alimentazione mo- nofase Il motore asincrono trifase pu`o funzionare in monofase collegando un condensato- re in derivazione su due morsetti, qualunque sia il tipo di collegamento utilizzato per collegare le fasi del motore. Il condensatore deve avere l''effetto di trasferire sul morsetto non alimentato del motore una tensione che deve essere, in ampiezza e fase, la pi` u possibile corrispondente a quella mancante. Questo tipo di soluzio- ne offre i migliori risultati con motori di piccole dimensioni fino ad una potenza 26 1. STRUTTURA E FUNZIONAMENTO nominale all''albero non superiore a circa 3¸4 kW. La soluzione ottimale, in par- ticolare per i motori che devono avviarsi sotto carico, `e quella di utilizzare due condensatori: uno in fase di spunto e di avviamento e uno, di capacit`a inferiore, da utilizzare solo quando il motore `e in marcia a regime. In pratica basta collegare un secondo condensatore, in parallelo al primo, che viene escluso ad avviamento avvenuto. La manovra pu`o essere effettuata manualmente o automaticamente. Capitolo 2 Avviamento Come ogni applicazione ingegneristica, bisogna prestare attenzione quando si pas- sa da una condizione di equilibrio ad un''altra. Particolare interesse lo riponiamo nel transitorio di Avviamento, che consiste nel portare il motore da fermo a velo- cit`a nominale. Abbiamo gi`a detto che in questa fase il motore assorbe un elevata corrente, genera una coppia discreta e pu`o provocare cadute di tensione lungo la linea con i conseguenti problemi, tra i quali il riscaldamento eccessivo degli av- volgimenti; esistono delle metodologie per cercare di evitare questi incovenienti. La prima considerazione ovvia, condizione necessaria per l''avviamento, `e che la coppia allo spunto sia superiore della coppia resistente del carico. Bisogna poi tener conto che l''avvento dell''elettronica di potenza `e stato molto importante non solo per il controllo del motore ma anche per il suo avviamento. Potendo infatti, mediante inverter, regolare la frequenza nominale di alimentazio- ne dello statore a piacimento, si pu`o variare quasi linearmente l''andamento della coppia con la velocit`a. La parte relativa all''elettronica di potenza `e presentata pi` u avanti. 2.1 Avviamento con reostato Quando il rotore presenta la configurazione ''a rotore avvolto', esso presenter`a, come gi`a detto, anelli e spazzole in modo tale da poter variare la resistenza rotorica per mezzo di un reostato. Vengono chiamate reostato d''avviamento la terna di 28 2. AVVIAMENTO resistenze variabili sul circuito del rotore, e avviamento reostatico l''avviamento con questo tipo di rotori. L''aumento della resistenza rotorica lasciando invariata la tensione di alimen- tazione, che potrebbe sembrare teoricamente controproducente, comporta invece diversi vantaggi: ' aumenta anche il modulo dell''impedenza rotorica, e quindi la corrente as- sorbita dal MAT all''avviamento diminuisce; ci`o `e evidenziato anche nella figura riguardante la corrente rispetto alla velocit`a al variare della resisten- za(fig1.14). ' si ha una diminuzione dello sfasamento delle correnti del rotore, con un conseguente aumento della coppia di spunto. Questo lo si pu`o notare anche dai grafici della coppia al variare di R21, che presentavano un valore di coppia di spunto maggiore aumentando la resistenza(fig1.15) La figura 2.1 illustra la variazione della coppia al variarare della resistenza roto- rica: Figura 2.1 : Coppia motrice con avviamento mediante reostato[1] I tre diversi andamenti rappresentano la curva coppia-velocit`a per tre diversi valori della resistenza del reostato (detti reostato inserito totalmente, parzial- mente, cortocircuito). Risulta evidente che in questo caso sono stati presi solo 3 2.2. AVVIAMENTO CON TENSIONE RIDOTTA 29 valori di resistenza rotorica differenti ma nella realt`a potranno esserci pi` u valori differenti per ottenere un andamento di coppia pi` u lineare e progressivo. Le cose da notare sono le seguenti: ' con il reostato inserito (elevata resistenza rotorica) la coppia allo spunto, s=1, `e molto maggiore rispetto agli altri valori di resistenza ' sempre con il reostato inserito completamente, quando la velocit`a inizia ad aumentare la coppia diminuisce sensibilmente, ed `e per questo motivo che bisogna via via diminuire il valore della resistenza rotorica ' disinserendo parzialmente il reostato (resistenza rotorica non troppo eleva- ta) la coppia motrice aumenta sensibilmente tornando a valori prossimi alla coppia massima generata dal motore ' anche in questo caso con il reostato parzialmente inserito con l''aumento del- la velocit`a diminuisce la coppia motrice, e bisogna quindi diminuire ulterior- mente l''influenza del reostato, disinserendolo completamente e portandoci al caso della curva coppia-velocit`a con il rotore senza resistenza aggiunta Evidentemente, se avessimo a disposizione un numero molto elevato di valori di resistenza per il rotore (quasi illimitato), potremmo addirittura riusce a far generare al MAT sempre la coppia massima, finch`e non si arriver`a al tratto stabile rispetto alla curva con il reostato disinserito, ed a quel punto disinserirlo. Nella casi reali il reostato `e completamente inserito all''avviamento, e viene progressivamente disinserito all''aumentare della velocit`a, fino alla sua completa esclusione che avverr`a a circa l''80% della velocit`a nominale. 2.2 Avviamento con tensione ridotta Con la configurazione rotorica a gabbia di scoiattolo (od a rotore avvolto senza la presenza di reosato, rotore in cortocircuito) non si ha la possibilit`a di aumentare la sua resistenza per evitare i problemi gi`a menzionati, e si cercheranno quindi metodi alternativi. Il problema principale dovuto alla forte induttivit`a del circuito 30 2. AVVIAMENTO `e (oltre a correnti elevate) una coppia motrice allo spunto abbastanza scarsa. Si distinguono due tipi di avviamento a seconda del motore: ' per motori relativamente piccoli (Pmax = 10kW ) si parla di avviamento diretto . Le correnti allo spunto non risultano essere particolarmente eleva- te rispetto alla linea elettrica, e non causano quindi nessun tipo di pro- blema. Si pu`o in questo caso quindi avviare il motore senza nessun tipo di accorgimento speciale. In questo caso CAV V '' [(50%, 100%)CMAX] e
Ii '' [(4, 6)In] ' con motori di potenza maggiore i problemi di corrente non possono essere assolutamente trascurati, in quanto le correnti in gioco sono simili o supe- riori alle correnti massime disponibili dalla linea elettrica. Si parla in questo caso di avviamento a tensione ridotta per porre rimedio a questi problemi. Si mira in questo metodo a ridurre le correnti di spunto limitando semplice- mente la tensione di alimentazione. Come si nota dalla figura 2.2, riducendo la tensione, e quindi la corrente, si riduce anche la coppia motrice; bisogna quindi prestare attenzione che la coppia con la tensione ridotta sia suffi- ciente a contrastare la coppia resistente. Ci`o avviene per piccoli valori di coppia resistente o con una coppia allo spunto sufficientemente elevata da non pregiudicare il movimento. Si noti come basta una variazione del 20% del valore nominale della tensione in quanto la coppia dipende quadraticamente e non linearmente dalla tensione, motivo in pi` u per prestare molta attenzione. 2.2.1 Resistori rotorici variabili Il metodo pi` u semplice per realizzare questa tensione ridotta consiste nel porre delle resistenze variabili prima degli avvolgimenti rotorici. Come evidenziato dalla figura2.3 vengono poste delle resistenze variabili, una per ogni fase dello statore del MAT. Cos`ı facendo la tensione sullo statore sar`a minore, poich`e ci sar`a un calo di tensione sulle resistenze. Queste resistenze vanno escluse a regime ed `e evidente che sar`a presente una forte componente di dissipazione dovuta ad effetto Joule, 2.2. AVVIAMENTO CON TENSIONE RIDOTTA 31 Figura 2.2 : Coppia con avviamento a tensione ridotta[1] e bisogna tenerne conto negli aspetti costruttivi del motore, per evitare danni o surriscaldamenti. Figura 2.3 : Avviamento con resistori variabili [1] Un metodo alternativo (uso industriale diffuso) consiste nel mettere in paral- lelo le resistenze ed il collegamento normale tra motore e rete, con l''aggiunta di un interruttore come illustrato in figura2.4. In questo modo all''avviamento si terr`a l''interruttore ''K2' aperto in modo tale che la corrente transiter`a per le resistenze- reattanze aggiunte ''X' in modo tale da provocare la caduta di tensione. Una volta raggiunta una buona velocit`a si pu`o chiudere l''interruttore ''K2' ed in questo mo- do la corrente non transiter`a pi` u per le resistenze-reattanze ''X' ma il motore sar`a 32 2. AVVIAMENTO collegato direttamente alla rete, ristabilendo il funzionamento normale con ten- sione nominale. L''interruttore ''K1' serve unicamente per collegare-scollegare il motore alla rete, non influenza questo metodo di avviamento. Figura 2.4 : Avviamento con resistori escludibili[4] Allo spunto si limita la corrente a 2,5 ÷ 3,5 volte quella nominale, di targa. Si possono realizzare anche pi` u esclusioni graduali di resistenze o reattanze, me- diante comandi temporizzati (rel`e a tempo), per potenze del motore fino a oltre 100kW. L''impiego di reattanze abbassa notevolmente il fattore di potenza, men- tre l''eventuale impiego di resistenze provocherebbe una elevata potenza persa per effetto Joule, anche se limitatamente all''avvio. La coppia, per una riduzione 'K' della tensione sul motore e della corrente assorbita, si riduce di ' K2 ' volte. 2.2.2 Auto-trasformatore Questo metodo `e'' pi` u costoso rispetto agli altri, in quanto `e presente un''ulteriore macchina, un autotrasformatore; tuttavia `e adottato comunemente per i motori di potenza pi` u elevata in quanto elimina le punte di corrente all''avviamento non mancando mai la tensione durante l''avviamento. Inoltre permette di rendere pi` u 2.2. AVVIAMENTO CON TENSIONE RIDOTTA 33 graduale l''avviamento essendo possibile adottare per l''autotrasformatore pi` u pre- se intermedie. Anche per questo tipo di avviamento, considerando la dipendenza della coppia dal quadrato della tensione ed il basso valore che di solito si adotta per la tensione iniziale, si deve avere il motore a vuoto o comunque avere un carico inferiore alla coppia di spunto a tensione ridotta. La figura 2.5 riporta lo schema di potenza di un avviamento mediante un autotrasformatore ad un''unica presa intermedia ( u , v , w sono i morsetti d''inizio delle fasi del motore). La successione delle operazioni da eseguirsi per avviare il motore `e la seguente: per primo viene chiuso l''interruttore T1 cos`ı che l''autotrasformatore sia predi- sposto per il funzionamento a stella. Poi si chiude T2 (conservando chiuso T1 ) ed il motore viene alimentato tramite l''autotrasformatore ad una tensione pari a 0,5·Vn (questo valore dipende dall''autotrasformatore che abbiamo acquistato). Quindi si apre T1 cos`ı che il motore venga alimentato attraverso le bobine di reattanza dell''autotrasformatore che si trovano in serie alla linea. Per ultimo si chiude T3 ed il motore si trova ad essere alimentato a piena tensione essendo le bobine di reattanza cortocircuitate. Nel caso preso in considerazione di un autotrasformatore ad un''unica presa intermedia, la coppia all''avviamento `e ridotta di un fattore 1/4 (essendo la ten- sione 1/2 della nominale) ed anche la corrente assorbita `e ridotta ad 1/4 della nominale. Gli autotrasformatori per questo impiego, essendo destinati ad un servizio di durata limitata (1 minuto circa), lavorano con elevati valori di induzione magne- tica (fino a 1,6 [Wb/m2]) e con elevati valori di densit`a di corrente (fino a 20 [A /mm2]). Si sconsiglia comunque l''utilizzo quando si hanno frequenti avviamenti. 2.2.3 Stella-triangolo (Y/D) Questo metodo, molto usato in passato, si utilizza per motori di potenza fino a 50 [kW] ed aventi l''avvolgimento statorico collegato con le fasi a triangolo nel funzionamento normale. Il rotore pu`o essere indifferentemente del tipo avvolto od a gabbia. Essendo la coppia di spunto notevolmente ridotta, si presta solo per 34 2. AVVIAMENTO Figura 2.5 : Avviamento con auto-trasformatore[4] avviamenti a vuoto o comunque con una coppia al carico minore della coppia di spunto. La figura 2.6riporta lo schema di potenza di un avviamento Y/D ( u , v , w sono i morsetti d''inizio delle fasi statoriche del motore, x , y , z sono i morsetti d''uscita delle fasi statoriche del motore). All''avviamento, l''interruttore Y deve essere chiuso cos`ı che il MAT parta con gli avvolgimenti statorici a stella. Dopo aver chiuso l''interruttore di linea L si dovr`a attendere che il motore abbia raggiunto circa l''80% della velocit`a a vuoto prima di aprire l''nterruttore Y e, subito dopo, chiudere l''interruttore D relativo al funzionamento con gli avvolgimenti statorici a triangolo. E'' importante che l''interruttore D venga chiuso solo dopo avere aperto l''interruttore Y per evita- re il cortocircuito tra due fasi. Ovviamente accade che viene a mancare per un breve intervallo di tempo l''alimentazione al motore, cos`ı che nell''istante in cui essa si ripristina si presenta una punta di corrente assorbita che pu`o provocare gravi disturbi elettrici nella linea di alimentazione ed altrettanto gravi disturbi elettromagnetici nell''ambiente circostante. Per questo motivo questo metodo di 2.2. AVVIAMENTO CON TENSIONE RIDOTTA 35 Figura 2.6 : Avviamento con commutazione stella triangolo [4] avviamento non `e assolutamente sicuro ed in applicazioni pratiche si cerca di evi- tarlo,poich`e, quando si passa da collegamento stella a triangolo, si ha un picco di corrente per ogni fase statorica non trascurabile. L''avviamento a Y (a stella) comporta la riduzione di tre volte della corrente assorbita e di tre volte della cop- pia di spunto (perch´e la coppia dipende dal quadrato della tensione applicata ed a stella la tensione `e '' 3 pi` u piccola che non a triangolo), come illustrato nella figura 2.7. L''istante oltre il quale conviene effettuare la commutazione a triangolo viene determinato sperimentalmente: occorrerebbe che la corrente assorbita dal moto- re nel momento della commutazione non superasse quella assorbita nell''istante iniziale dell''avviamento a stella. 2.2.4 Soft starting In questo metodo, come illustrato in figura2.8, degli interruttori di potenza basati su semiconduttori sono usati per ridurre la corrente di statore. Ci`o `e realizzato fa- cendo passare unicamente una parte della forma d''onda sinusoidale della tensione e ''bloccando' la parte restante. Le forme d''onda di tensione e corrente vengono distorte generando delle coppie armoniche, finch`e il motore non raggiunge una 36 2. AVVIAMENTO Figura 2.7 : Coppia e corrente con le configurazione a stella e triangolo [4] sufficiente velocit`a e pu`o essere collegato direttamente alla rete. Possono essere implementati vari metodi di avviamento regolando questi dispositivi elettronici, come per esempio mantenere una corrente costante o facendo crescere la tensione seguendo un andamento a rampa. Il soft-starting `e sicuramente il migliore di tutti i sistemi classici di avviamento a tensione ridotta, ma ha lo stesso inconveniente della riduzione della coppia. Il soft-starting pu`o andar bene per carichi che hanno una coppia resistente che cresce gradualmente con la velocit`a. E'' invece inadatto per carichi che hanno una coppia d''attrito allo stacco elevata. La rampa di tensione inizialmente non riesce a generare una coppia sufficiente, e quando vi riesce pu`o imprimere al carico un''accelerazione eccessiva Le cose cambierebbero radicalmente se la variazione di tensione fosse accompagnata da una variazione di frequenza. Ma allora si avrebbe a che fare con un inverter, pi` u complesso e costoso di un soft starting classico. 2.3. INVERSIONE MARCIA 37 Figura 2.8 : Avviamento mediante soft starting [4] 2.3 Inversione marcia Per invertire il senso di marcia di un MAT `e sufficiente invertire il senso di ro- tazione del campo magnetico rotante. Il modo pi` u semplice per eseguire questa operazione consiste nello scambiare tra di loro 2 dei 3 collegamenti trifase che ali- mentano gli avvolgimenti di statore, come illustrato in figura2.9. Gli interruttori che gestiscono la marcia ''avanti' o ''indietro' dovrebbero essere muniti di inter- blocco (dispositivo di sicurezza) per evitare che si commutino quando il motore `e in marcia ma solo quando `e fermo. Cambiando direzione in marcia infatti, si avrebbe un assorbimento di corrente molto maggiore rispetto a quella assorbita allo spunto. Figura 2.9 : Grafico per inversione di marcia [1] Capitolo 3 Variazione velocit` a Gli azionamenti a velocit`a variabile sono un insieme costituito dal motore elet- trico (attuatore), dal sistema elettronico di alimentazione e controllo assistito da trasduttori di posizione e velocit`a. Oltre ad essere, per certe applicazioni, assolu- tamente indispensabili, consentono un''ottimizzazione dei processi con incremento di produzione e miglior rendimento degli impianti. Spesso si ottiene un risparmio energetico se si pu`o disporre di una rampa di accelerazione controllata e con certi carichi, come pompe e ventilatori, una riduzione del 20% della velocit`a significa ridurre la potenza assorbita del 50%. L''azionamento pu`o essere collegato me- diante opportuno bus di comunicazione alle logiche di controllo (PLC e/o PC) aumentando le potenzialit`a e la flessibilit`a del sistema di automazione. 3.1 Controllo velocit` a con asincrono Abbiamo visto precedentemente che la velocit`a di un MAT `e data da n = 60f p (1 '' s) e quindi perch`e si verifichi una sua variazione bisogna modificare una o pi` u del- le seguenti grandezze: frequenza nominale di alimentazione, scorrimento, poli statorici. Il motore asincrono `e, a grandi linee, un motore a velocit`a praticamente co- stante se la frequenza `e costante. Nella zona di stabilit`a, che va dalla velocit`a di sincronismo alla velocit`a cui si ha la coppia massima, la caratteristica meccanica 40 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A `e in genere ripida e la variazione di velocit`a `e grossomodo del 10%. Se poi si tiene conto che la corrente non pu`o superare il valore nominale che si ha alla ve- locit`a nominale cui corrisponde uno scorrimento sull''ordine del 3-5%, l''intervallo di variazione si riduce drasticamente, non potendo il motore sostenere per lungo tempo una velocit`a inferiore, per il surriscaldamento che l''intensit`a di corrente, superiore al valore nominale, determina. C''`e dunque una variazione dipendente dal carico che non `e controllabile in modo efficace modificando la tensione. Di- minuendo la tensione diminuisce la coppia massima e si ha, di conseguenza, una minor pendenza del tratto stabile, per cui, a parit`a di coppia resistente, la velocit`a diminuisce; per`o l''aumento dello scorrimento pu`o richiedere al motore una cor- rente maggiore nonostante la tensione ridotta. E'', in altre parole, una regolazione di scarsa efficacia. La regolazione migliore si ottiene variando la frequenza, quindi la velocit`a del campo rotante o di sincronismo che `e data da n0 = 60f p in giri/min (rpm) con f frequenza di alimentazione e p coppie polari dell''avvolgimento. La variazione della frequenza richiede un circuito elettronico pi` u complesso di un circuito elettronico che vari la sola tensione. Maggior complessit`a implica un maggiore costo ma il rapido sviluppo dell''elettronica di potenza ha fatto si che, se qualche decennio fa un sistema di regolazione della velocit`a era un dominio assoluto del motore a corrente continua, la cui velocit`a `e facilmente regolabile con la tensione o corren- te d''armatura, attualmente la regolazione di velocit`a con variazione di frequenza ottenuta con motori asincroni, sottrae sempre pi` u spazi agli azionamenti in conti- nua, che comunque non sono scomparsi per le ancora migliori propriet`a dinamiche del motore a cc. I motori asincroni hanno infatti un momento di inerzia pi` u alto degli equivalenti in continua, il che ne peggiora dinamica. E'' possibile utilizzare motori particolari, ma cos`ı si vanificano in parte i vantaggi dell'' azionamento in ca. Un sistema con regolazione di velocit`a con un asincrono trifase `e dunque es- senzialmente costituito, oltre al motore, da un convertitore statico di frequenza ed il vantaggio che esso offre rispetto all''azionamento in corrente continua `e che l''asincrono, pi` u semplice costruttivamente quindi meno costoso, non richiede ma- nutenzione ed i convertitori statici hanno ormai raggiunto standard qualitativi che assicurano un''ottima durata nel tempo. 3.1. CONTROLLO VELOCIT ` A CON ASINCRONO 41 Figura 3.1 : Andamento della coppia nominale variando la resistenza rotorica[1] 3.1.1 Variazione della resistenza Il metodo pi` u semplice per variare la velocit`a del rotore `e quello analizzato pre- cedentemente, cio`e l''inserzione di resistenze in serie al rotore come illustrato per l''avviamento del motore. Cos`ı facendo si riesce a variare la curva di coppia e con- seguentemente lo scorrimento del motore. In particolare un aumento di resistenza aumenta lo scorrimento lasciando invariato il carico, come illustrato nella figu- ra3.1. Risulta evidente che non variando la velocit`a di sincronismo del motore le variazioni di velocit`a non possono essere elevate, ma resteranno in un intervallo vicino alla precedente velocit`a. Si pu`o anche notare che le variazioni di velocit`a, per una stessa resistenza, dipendono dal carico: esse sono alte a carichi elevati, trascurabili a bassi carichi. Inoltre, qualunque diminuzione di velocit`a si traduce in un corrispondente aumento delle perdite, in calore, nelle resistenze addizionali con abbassamento del rendimento. 3.1.2 Cambiamento dei poli Questo metodo si pu`o utilizzare unicamente quando si ha un rotore a gabbia poich`e questo pu`o funzionare con qualsiasi numero di poli nello statore. Questo metodo consiste infatti nel cambiare il numero di coppie di poli statorici. Per fare ci`o si utilizza un avvolgimento statorico (avvolgimento di Dalhander) il quale permette di cambiare il numero di coppia di poli con una semplice variazione della connessione di morsetti, come illustrato in figura3.2. 42 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A Figura 3.2 : Cambiamento poli statorici[1] In particolare questo metodo resce a far dimezzare il numero di coppie di poli; nell''esempio della figura3.2 le coppie passano da 8 ad 4. Il dimezzamento delle coppie di poli comporta il raddoppio della velocit`a di sincronismo, e quindi il raddoppio, circa, della velocit`a di equilibrio del rotore. Nonostante sia molto semplice come metodo, riesce a far ruotare il motore a solo 2 velocit`a diverse, ed essendo una la met`a dell''altra la differenza tra le 2 velocit`a pu`o essere molto elevato e dimezzando il numero di coppie di poli diminuisce sia il rendimento che la potenza del motore. Si possono comunque implementare anche altri metodi che permettono una variazione del numero di poli di un fattore 2, 4, 6 permettendo un migliore aggiustamento. 3.1.3 Modifica del modulo della tensione di alimentazione Porta a regolazioni in un campo abbastanza ristretto, come si pu`o dedurre dal- l''esempio grafico di Fig.3.3. Si pu`o variare il modulo della tensione con la parzializzazione mediante tiri- stori. Le caratteristiche si riducono col quadrato della tensione e di conseguenza cambia la loro pendenza nel tratto utile: pertanto il punto di equilibrio tra coppia motrice e coppia resistente si ottiene a velocit`a pi` u basse. Non si modifica invece lo scorrimento di coppia massima, che infatti non dipende dalla tensione. 3.1. CONTROLLO VELOCIT ` A CON ASINCRONO 43 Figura 3.3 : Variazione del numero di giri del rotore per variazione di scorrimento, ottenuto con tensioni diverse. [4] 44 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A 3.2 Variazione frequenza Per comprendere il funzionamento del motore asincrono alimentato da inverter sfruttiamo un modello matematico della macchina molto semplificato: 1. La velocit`a del campo rotante, o velocit`a di sincronismo (praticamente la velocit`a a vuoto del motore), `e direttamente proporzionale alla frequenza di alimentazione f : n ' f 2. Il flusso del campo magnetico rotante `e proporzionale al rapporto tra la tensione e la frequenza: ' ' V f 3. La corrente che si sviluppa nei conduttori di rotore,Ir, `e proporzionale alla tensione indotta dal flusso del campo rotante, quindi alla tensione di ali- mentazione ed allo scorrimento: Ir ' V · s 4. La coppia motrice C, `e proporzionale al prodotto del flusso magnetico per la corrente di rotore. Quindi si possono scrivere le espressioni: C ' ' · Ir
e C ' s · ' · V Si vede quindi che al valore nominale di tensione `e legato il flusso magnetico al traferro, quindi la corrente a vuoto. Devono essere comunque sempre rispettate le condizioni per il buon funzionamento del motore, che sono le seguenti: 1. La corrente assorbita non deve superare il valore nominale per evitare aumento delle perdite nel rame e surriscaldamenti eccessivi 2. La tensione non deve superare il valore nominale per il quale `e dimensionato l''isolamento 3. La corrente a vuoto non deve superare il valore nominale per non saturare il circuito magnetico ed evitare l''aumento di perdite nel ferro con conseguente surriscaldamento. 3.2. VARIAZIONE FREQUENZA 45 Figura 3.4 : Schema a blocchi di un inverter e raddrizzatore [2] 3.2.1 Inverter: schema a blocchi Poich´e nella zona di funzionamento stabile lo scorrimento ha un valore nell''ordine dei centesimi la velocit`a generata dal MAT si pu`o considerare dipendente unica- mente dalla frequenza. La frequenza varia la velocit`a a vuoto (in conseguenza della variazione della velocit`a del campo magnetico rotante), quindi anche la ve- locit`a a carico che differir`a di poco. L''inverter `e l''apparecchiatura che sfruttando l''elettronica di potenza riesce a convertire una tensione continua, mediante inter- ruttori elettronici (diodi), in alternata, con la possibilit`a di ottenere frequenza e valore efficaci desiderati per la tensione elettrica che alimenter`a il motore. L''inver- ter `e solitamente preceduto da un circuito rettificatore che converte dapprima la tensione di rete, alternata, in tensione continua, creando quello che comunemente `e detto BUS della continua o DC LINK. Lo schema a blocchi `e dunque del tipo in figura3.4: Riuscendo quindi a modificare la frequenza dell''alimentazione del motore si riuscir`a quindi ad avere un utilizzo del MAT molto pi` u ampio riuscendo ad avere velocit`a variabile in funzione della frequenza. 3.2.2 Modalit` a di funzionamento La variazione di frequenza influenza il flusso. Se la frequenza scende sotto il valore nominale (tipicamente 50 Hz) per mantenere costante il flusso occorre diminuire proporzionalmente la tensione. Alla frequenza nominale la tensione `e la nomina- le. Se f supera il valore nominale, il flusso non pu`o mantenere il valore nominale perch´e si dovrebbe aumentare la tensione. Il flusso pertanto diminuisce. Poich´e 46 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A la corrente non pu`o superare il valore nominale, finch´e il flusso mantiene il valore nominale, quindi per frequenze inferiori alla nominale, si pu`o avere la coppia no- minale; quando invece il flusso diminuisce, necessariamente la coppia continuativa erogabile dal motore diminuisce. Se il rotore, qualunque sia la frequenza, gira a vuoto lo scorrimento `e piccolissimo e, praticamente, come gi`a detto, la sua ve- locit`a `e quella di sincronismo. Quando all''albero `e applicato un carico, cio`e una coppia resistente, mentre tensione e frequenza sono mantenute costanti, la sua velocit`a diminuisce rispetto a quella del campo rotante, cio`e lo scorrimento cre- sce. Il motore assorbe allora una corrente maggiore e la coppia motrice aumenta fino ad eguagliare la coppia resistente. A questo punto la velocit`a si stabilizza. Il valore della velocit`a di regime dipende perci`o, oltre che dalla frequenza, anche dal carico. Esiste cio`e un errore di velocit`a dovuto allo scorrimento. L''entit`a dello scorrimento `e, a parit`a di coppia, inversamente proporzionale al flusso ed al va- lore efficace della tensione. A parit`a di coppia quindi lo scorrimento aumenta a frequenze diverse dalla nominale perch´e il prodotto V*F diminuisce in ogni caso. Le considerazioni che seguono per valutarne le prestazioni al variare della frequenza, si basano sul circuito equivalente semplificato e sono valide finch´e lo scorrimento `e piccolo, e per una frequenza non eccessivamente piccola. La corrente di rotore riportata allo statore, nelle ipotesi specificate, pu`o essere approssimata con I12 = s V R12'' 1.73 [2] cio` e la corrente assorbita `e proporzionale allo scorrimento. Per ridurre la velocit`a si diminuiscono frequenza e tensione mantenendo co- stante il rapporto V/f. Poich´e la tensione diminuisce, la corrente nominale si ha ad uno scorrimento che aumenta al diminuire della frequenza. La coppia che si ottiene con la corrente nominale `e uguale alla coppia nominale perch´e il flusso si mantiene costante. Anche la coppia massima ottenibile rimane la stessa, mentre lo scorrimento a cui essa si verifica aumenta, poich´e la differenza tra la velo- cit`a di sincronismo e la velocit`a cui si ha la coppia massima rimane costante: si ha il funzionamento a coppia costante. La caratteristica meccanica si sposta parallelamente a se stessa come mostrano i diagrammi di figura3.5. La coppia di avviamento cresce, e la potenza ottenibile `e proporzionale alla frequenza. Si vede nei diagrammi, tracciati sulla base del circuito equivalente semplificato, che al di sotto di una certa frequenza la coppia massima diminuisce e si intuisce 3.2. VARIAZIONE FREQUENZA 47 Figura 3.5 : Andamento della coppia al variare della frequenza di alimentazione [2] che per ottenere realmente, anche alle basse frequenze, una regolazione a coppia costante non `e pi` u possibile mantenere costante il rapporto V/f. Se si vuole superare la velocit`a di sincronismo, bisogna aumentare la frequen- za rispetto al valore nominale. Aumentando la frequenza e non potendo, per il dimensionamento dell''isolamento, superare la tensione nominale, il flusso magne- tico diminuisce (deflussaggio). La coppia, con il motore che assorbe la corrente nominale, `e inferiore alla coppia nominale. Essa diminuisce proporzionalmente all''aumento della frequenza, quindi della velocit`a. La potenza che il motore pu`o erogare rimane costante e pari al valore nominale `e il funzionamento a poten- za costante. Contemporaneamente diminuisce, ancora pi` u rapidamente, la coppia massima, che, da un certo punto in poi diventa addirittura minore della coppia che parrebbe erogabile con la corrente nominale. Per velocit`a superiori il motore pu`o lavorare erogando una coppia massima ottenuta da una corrente inferiore alla nominale. La potenza fornibile decresce all''ulteriore aumentare della frequenza, proporzionalmente. Quando il motore raggiunge la velocit`a massima ammissibile per ragioni di sollecitazione meccanica, non si pu`o ulteriormente aumentare la frequenza di alimentazione. 48 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A 3.2.3 Controllo con inverter Il controllo di velocit`a pu`o essere effettuato con o senza retroazione. Lo scorrimen- to piccolo d`a la possibilit`a di un controllo accettabile anche senza retroazione, ad anello aperto. L'' errore di velocit`a dipende dal carico. La velocit`a impostata con la frequenza f `e, indicando con p le coppie polari, no = 60f p , ma la velocit` a effettiva `e n = n0 (1 '' s) con s dipendente dalla coppia resistente del carico. L''errore di velocit`a pu`o essere compensato da un''opportuna regolazione della frequenza e si possono raggiungere precisioni dell''1%. Per eliminarlo completamente occorre un anello di retroazione. Si misura in tal caso l''effettiva velocit`a, la si confronta con quella impostata, e si aggiusta la frequenza fino ad ottenere a carico la velocit`a desiderata. La regolazione V f = costante ` e per`o inadeguata alle basse frequenze perch´e non garantisce la costanza della coppia erogabile legata alla costanza del flusso. La proporzionalit`a del flusso al rapporto tensione/frequenza `e accettabile finch´e la caduta di tensione resistiva negli avvolgimenti `e trascurabile. Ci`o che occorre mantenere costante `e in realt`a il rapporto tra la tensione applicata di- minuita della caduta resistiva, e la frequenza. A frequenze inferiori ai 10 Hz `e indispensabile aumentare la tensione per contrastare l''indebolimento del flusso dovuto alla caduta ohmica (boost). Ci sono vari criteri per farlo e la tecnica `e no- ta come 'low-speed voltage boosting'. Le figure3.6 mostrano gli schemi a blocchi di un controllo ad anello aperto e controreazionato: Nella catena chiusa c''`e un trasduttore di velocit`a T (analogico: dinamo ta- chimetrica o, per una maggior precisione un encoder digitale) ed il segnale della velocit`a effettiva `e confrontato con il segnale di riferimento impostato (nRif). Il risultato del confronto, non direttamente il segnale di riferimento come nella ca- tena aperta, pilota i blocchi circuitali che variano frequenza e tensione in uscita dall''inverter. 3.2.3.1 Parametri di regolazione di un inverter scalare Negli inverter scalari oltre alla frequenza si varia solamente il valore efficace della tensione. Non ci si occupa cio`e delle relazioni di fase tra tensioni e correnti che si 3.2. VARIAZIONE FREQUENZA 49 Figura 3.6 : Controllo in catena aperta ed in catena chiusa [2] 50 3. VARIAZIONE VELOCIT ` A riflettono nella posizione relativa dei campi magnetici di statore e di rotore, e che influenza sensibilmente la coppia per elevati scorrimenti. La frequenza d''uscita, quindi la velocit`a a vuoto del motore, `e impostata con un segnale di riferimento analogico (nRif), una tensione (0-10 V) o una corrente (4 20 mA), che pu`o essere fornito o da un semplice potenziometro o da un convertitore digitale analogico comandato da un computer. La regolazione del tipo V/f ha opzioni impostabili dall''utente. Ad esempio, l''incremento di tensione (boost) alle basse velocit`a, la velocit`a massima e minima, le accelerazioni. Se la coppia resistente supera la cop- pia nominale, intervengono le protezioni interne di massima corrente per impedire che l''eccessivo rallentamento porti il motore a funzionare nella zona instabile. Im- provvise modifiche del riferimento sono trasformate internamente in una rampa che obbliga la frequenza a variare gradualmente. Se l''inerzia complessiva `e bassa la velocit`a di regime `e raggiunta senza problemi di eccessivo assorbimento di cor- rente. Migliori risultati per il controllo e per la variazione di velocit`a si possono ot- tenere mediante inverter vettoriali e sfruttando il modello dinamico del motore asincrono, molto complesso[3]. Capitolo 4 Disponibilit` a del mercato 4.1 Dati di targa Le caratteristiche principali che distinguono un motore asincrono, per la sua scelta, sono le seguenti:1 ' La tensione nominale che alimenta lo statore, e cio`e la tensione concatena- ta di alimentazione statorica per la quale il motore `e stato dimensionato. Questa grandezza pu`o essere espressa con la lettera ''U' nella letteratura anglosassone e tipicamente con la ''V' in quella italiana ed `e espressa in [Volt] ' Il tipo di alimentazione monofase-trifase ed il conseguente tipo di motore corrispondente ' La frequenza nominale , che `e la frequenza di alimentazione da rete. Espres- sa in [Hz] ed indicata solitamente con la lettera ''f'. Solitamente il valore nominale `e di 50Hz ' La velocit` a nominale di rotazione del motore, in condizioni nominali di funzionamento. Velocit`a espressa solitamente in giri al minuto [RPM] ed indicata o per esteso o mediante il simbolo ''n0' 1NB: A volte il termine ''nominale' `e sostituito con ''caratteristico' 52 4. DISPONIBILIT ` A DEL MERCATO ' La potenza nominale generata dal motore e disponibile sull''albero motore come coppia motrice. Potenza calcolata in condizioni nominali di utilizzo (V, f e velocit`a). La potenza `e spesso espressa in [kW ] ma si pu`o trovare anche in cavalli [HP ], ricordando il fattore di conversione 1kW = 1.34HP . Potenza indicata per esteso o semplicemente indicando l''unit`a di misura ' La corrente nominale assorbita dalla linea da ogni fase statorica in condi- zioni nominali di utilizzo ' Il fattore di potenza in condizioni nominali, espresso dal coseno dell''ango- lo di sfasamento tra tensione e corrente, per ogni fase statorica. Espresso abitualmente con il termine ''cos''. Maggiore sar`a lo sfasamento ' minore sar`a questo termine e minore sar`a il rendimento del motore perch`e verr`a dissipata pi` u energia nel traferro ' Il rendimento in condizioni nominali, indicato solitamente con il termine η con un valore compreso tra 0 e 1 e pi` u prossimo all''unit`a. ' La coppia nominale motrice disponibile sull''albero motore in condizioni nominali. Coppia espressa in [Nm] ed indicata con ''Cn' nelle letteratura italiana e ''Tn' in quella anglosassone ' Alcuni costruttori mettono anche a disposizione il numero di poli statorici con cui sono realizzati gli avvolgimenti statorici. ' Il tipo di rotore, che pu`o essere: '' con rotore avvolto chiamato anche ad anelli '' con rotore a gabbia di scoiattolo, detto anche rotore in cortocircuito; Il primo tipo il rotore `e costituito da avvolgimenti veri e propri come quelli dello statore, presenta una struttura pi` u complessa e delicata (spazzole che strisciano sul rotore, con possibile interposizione di resistenze per il con- trollo della fase di avviamento) con necessit`a di manutenzione periodica e dimensioni d''ingombro elevate, sono usati in applicazioni dove sono richie- ste elevate coppie di avviamento e basse correnti di spunto. Questi motori 4.1. DATI DI TARGA 53 garantiscono la massima affidabilit`a e sono raccomandati nel caso di elevata inerzia del carico come mulini. Il secondo tipo invece ha un rotore costituito da sbarre chiuse in cortocircuito, quindi grazie ad una maggiore semplicit`a costruttiva d`a origine ad un tipo di motore molto semplice, robusto ed eco- nomico. Il campo di potenze coperto da un tipo o l''altro di rotore `e descritto nel capitolo 1. ' Il materiale di cui `e fatta la carcassa ' Peso ed ingombro del motore ' Tipo di collegamento delle fasi (stella-triangolo) a cui bisogna prestare molta attenzione per evitare di compromettere il motore con disposizioni sbagliate ' Alcuni costrutturi indicano anche il rumore prodotto dal motore in condi- zioni nominali di utilizzo, espresso in [dB] ' Standard di sicurezza e isolamento dei materiali che rispettano i motori in base alle leggi dell''unione europea (nel caso di costruttori europei) I valori pi` u importanti, tra quelli elencati, per la caratterizzazione di un motore e per una suddivisione in categorie sono, in ordine dal generale allo specifico: potenza nominale, tipo di rete di alimentazione (V, f e mono-tri fase) e velocit`a nominale di rotazione. La potenza nominale dei motori disponibili varia da qualche W per picco- le movimentazioni fino a centinaia di kW (con pesi dei motori nell''ordine delle tonnellate) per usi industriali con grandi coppie in gioco. Prendiamo ora in esame a titolo di esempio i motori disponibili per qualche costruttore, evidenziando che il mercato disponibile per i MAT `e vastissimo e ci sono molteplici costruttori. 4.1.1 Gamma Nerimotori: La figura4.1 riporta un esempio di data sheet di questo costruttore. Le voci fornite sono pressoch`e quelle elencate precedentemente, ma sono presenti in pi` u varie voci per caratterizzare il motore. In particolare sono presenti i termini 54 4. DISPONIBILIT ` A DEL MERCATO ' Is In = corrente di spunto corrente nominale ' Cs Cn = coppia di spunto coppia nominale ' Cmax Cn = coppia massima coppia nominale Questi ulteriori parametri consentono di calcolare la corrente di spunto assorbita durante l''avviamento, la coppia motrice sempre all''avviamento (coppia di spunto) e la coppia massima che il motore riesce a generare; valori molto importanti per scegliere il motore giusto nel dimensionamento in base all''impiego che deve realizzare. Si nota anche come all''aumentare di potenza ci sia bisogno di impiego di un materiale diverso per evitare problemi di surriscaldamento, vibrazioni e robustez- za. 4.1.2 Gamma Orientalmotor Nella figura 4.2 `e rappresentata una categoria di motori del costruttore ''Orien- talmotor' per piccole potenze (fino a 90W). Viene indicata sia la coppia nominale che la coppia allo spunto, molto utile per il dimensionamento-scelta del motore. Nel capitolo del dimensionamento del motore `e presente il data sheet con mag- giore dettagli per il range di potenza a 25W (figura 5.2). Si ha per esempio il valore della corrente assorbita ed in pi` u si ha la tabella dei vari riduttori com- patibili con quel tipo di motore con le corrispondenti velocit`a di rotazione del moto-riduttore alla velocit`a nominale del motore e la coppia disponibile al ca- rico del motoriduttore partendo dalla coppia nominale disponibile al carico del motore. 4.1.3 Gamma Motoinverter Ultimamento, grazie al miglioramento dell''elettronica di potenza, sono usciti sul mercato dei sistemi denominati ''Motoinverter' che sono comuni motori asincroni con l''aggiunta al loro interno anche di un inverter. Questa macchina ha quindi la possibilit`a di far variare la frequenza di alimentazione del motore variando cos`ı la velocit`a di rotazione del motore. Come detto nel capitolo 3 la potenza (e 4.1. DATI DI TARGA 55 Figura 4.1 : Datasheet nerimotori[5] 56 4. DISPONIBILIT ` A DEL MERCATO Figura 4.2 : Una gamma motori orientalmotor[6] 4.2. PECULIARIT ` A RISPETTO AD UN MOTORE IN C.C. 57 Figura 4.3 : Grafico potenza motoinverter ABB[7] la coppia nominale e massima) non sar`a sempre costante per ogni valore della frequenza di alimentazione, e per la gamma di motoinverter del costruttore ABB la potenza varia come evidenziato in figura 4.3. Si avr`a quindi potenza costante solo per velocit`a comprese tra Nn e Nmax. La curva pi` u bassa indica l''andamento della potenza nominale e si nota come tra Nn e quasi Nlim il valore di Pn non si abbassa eccessivamente; mentre, per quanto riguarda la curva superiore indicante la potenza massima, si nota come cala repentinamente e quindi se si utilizza il motore con carichi prossimi al valore della coppia massima bisogna prestare molta attenzione nella scelta del motoinverter giusto. Nella figura 4.4 si vede l''esempio di un datasheet di un motoinverter del co- struttore ''ABB'. Molte voci dei dati di targa sono comuni ai normali motori asincroni, si notano per`o alcune voci in aggiunta. Si ha in particolare il valore della velocit`a nominale Nn a frequenza nominale ed il valore di velocit`a massima Nmax fino alla quale il motore funziona a potenza costante ed il range generale di velocit`a del motore. 4.2 Peculiarit` a rispetto ad un motore in c.c. Prendendo in esame uno dei precedenti data sheet con, per esempio, uno qualsiasi di un motore a spazzole a corrente continua notiamo delle differenze. Oltre alle 58 4. DISPONIBILIT ` A DEL MERCATO Figura 4.4 : datasheet motoinverter ABB[7] 4.2. PECULIARIT ` A RISPETTO AD UN MOTORE IN C.C. 59 differenze riguardanti le velocit`a che sono dovute al tipo di utilizzo e principio di funzionamento dei motori, notiamo che nei dati del motore asincrono non so- no presenti i valori caratteristici degli elementi elettrici presenti nel motore. Non vengono per esempio dati i valori della resistenza di statore-rotore di reattanza o simili. Questa caratteristica pu`o essere scomoda in quanto non si possono effet- tuare simulazioni in ''simulink', se non acquistando il motore e ricavando i valori elettrici per mezzo di misurazioni sul motore stesso; altres`ı questa peculiarit`a evi- denzia ulteriormente il tipo di utilizzo del MAT in quanto non ci si preoccupa eccessivamente della precisione della velocit`a ma vengono indicati esclusivamente i valori di coppia nominale, massima e di spunto sapendo che successivamente il motore si ''autoregoler`a', se il carico `e compatibile con questi valori. Se per la caratteristica ''coppia' ci si accontenta di avere un carico compatibile con i va- lori che pu`o supportare il motore, un''altra importante caratteristica riguarda la corrente. Sappiamo infatti le difficolta legate all''assorbimento di corrente durante lo spunto, senza l''ausilio di metodi speciali per l''avviamento, ed un calcolo della corrente di spunto sarebbe risultato utile. Alcuni costruttori, come per esempio la nerimotori (figura 4.1) forniscono questa corrente di spunto, mentre altri no e bisogna quindi accontentarsi di sapere la coppia disponibile allo spunto, ponendo un carico con una coppia resistente minore di quest''ultima senza sapere l''effettiva corrente di spunto assorbita. Se prendiamo in eseme un confronto tra un MAT ed un motore in corrente continua possiamo notare le seguenti peculiarit`a, riassunte in tabella 4.1. 60 4. DISPONIBILIT ` A DEL MERCATO MAT Motore c.c Variazione di Con inverter dinamica Controllo con driver in velocit` a lenta e meno precisa corrente o tensione ed `e pi` u costoso ottenendo ottimi risultati Coppia massima A velocit`a prossime al sincronismo A rotore fermo Problemi Molto limitati, risolvibili Molto diffusi, soprattutto surriscaldamento eventualmente con una ventola a velocit`a nulla o ad alte o metodi avviamento velocit`a causa spazzole Coppia allo spunto Molto limitata Coppia massima Velocit` a massima Molto elevata grazie Limitata da spazzole agli attriti limitati e fcem Manutenzione Limitata, lunga durata Durata del motore non lunghissima Tabella 4.1 : MAT vs motore c.c. Capitolo 5 Scelta motore Per gli esempi riguardanti la scelta motore (dimensionamento) prendiamo in analisi la gamma motori della ''orientalmotor'. Si hanno comunque le seguenti operazioni comuni per la scelta di un motore asincrono: 1. Specifiche richieste: per prima cosa bisogna determinare le specifiche richie- ste come la velocit`a di rotazione, la coppia al carico, tensione e frequenza nominali. 2. Calcolo velocit`a operazione: prendiamo in analisi il caso in cui non vi sia l''ausilio dell''elettronica di potenza, e quindi la velocit`a del motore non `e regolabile. Bisogna quindi scegliere un giusto rapporto del cambio per la riduzione della velocit`a fino alla velocit`a richiesta dall''applicazione. 3. Calcolo coppia richiesta al carico 4. Scelta motore e rapporto di riduzione: una volta determinati i valori ot- timali di coppia velocit`a e rapporto di riduzione, si analizza cosa mette a disposizione il mercato e si sceglie l''apparecchiatura pi` u consona Vediamo ora un esempio: 1. Scelta del rapporto di riduzione: data la velocit`a che dovr`a avere il rullo trasportatore, calcoliamo la velocit`a NG che deve essere presente all''uscita dell''albero del motoriduttore: NG = V · 60 '·D = (140±14)60 '· 100 = 26.7 ± 2.7 [RP M] 62 5. SCELTA MOTORE Figura 5.1 : Dati dell''esempio [6] Procediamo sapendo che la velocit`a nominale di un motore asincrono (della gamma che utilizzeremo) varia solitamente tra 1200 ' 1300 RP M e calco-
liamo quindi il valore del rapporto di riduzione ottimale i: i = 1200 ÷ 1300 NG = 40.8 ' 54.2 Visti i rapporti di riduzione offerti dalla gamma motori-riduttori della ''orien- talmotor' scegliamo un rapporto di i = 50 e verifichiamo successivamente che questo vada effettivamente bene. 2. Coppia richiesta: In un nastro trasportatore la coppia maggiore `e richiesta all''avviamento, e per calcolarla determiniamo inizialmente grazie al coefficiente di attrito, la forza F della superfice di scorrimento: F = µm1g ' = 45 [N] Calcoliamo ora la coppia del carico TL: TL = F ·D 2·η = 2550 [mNm] Questa appena calcolata `e la coppia necessaria all''albero del motoriduttore, vediamo ora di quanto si riduce questa coppia all''albero motore, grazie al 63 riduttore: TM = TL i·ηG = 75.8 [mNm] prendendo un rendimento del riduttore di ηG = 0.66. Si prende adesso un margine di sicurezza del doppio della coppia richiesta, considerando l''oscillazione della tensione di alimentazione rispetto alla ten- sione nominale (si ricordi che la coppia `e proporzionale al quadrato della tensione): 75.8 · 2 ' = 152 [mNm] Quindi Come si evince dalla tabella5.2 un motore adatto per questo tipo di applicazione `e quello avente codice ''41K25GN '' UT 4' con alimentazione
trifase a 400V. Abbinato a questo motore il riduttore adatto `e il ''4GN50K' con rapporto di riduzione 50. La velocit`a caratteristica del motore sar`a di circa 1300 RPM mentre la velocit`a di rotazione del motoriduttore sar`a mol- to pi` u bassa, precisamente di circa 30 RPM. Questa velocit`a di rotazione rientra nel range del 10% della velocit`a imposta dalle specifiche ed inoltre con un rapporto di riduzione cos`ı elevato il motore riesce ad erogare una coppia massima (autoregolandosi in velocit`a) di 6.3Nm. Questa coppia `e su- periore a quella massima calcolata (considerando sia attriti che fluttuazione del voltaggio della rete elettrica) di circa 5.0Nm. Si avr`a quindi che il motore ruoter`a alla stessa velocit`a, circa, anche aumentando il carico presente sul rullo. In particolare nel data sheet viene scritto che la velocit`a di rotazione diminuir`a dal 2% al 20% a seconda del carico applicato. Rientriamo quindi nelle specifiche richieste. Calcoliamo ora la massa totale che pu`o essere applicata al carico riuscen- to a mantenere il motore nella parte stabile del suo funzionamento. Dalle espressioni della forza di attrito e della coppia al carico, possiamo trovare: m1,max = TL,maxη µgD = 19 [kg]. Questa `e una stima per avere un margine di sicurezza molto ampio, consi- derando una coppia del doppio rispetto a quella calcolata. Nonostante ci`o riusciamo a far funzionare il motore circa alla stessa velocit`a con un carico che varia tra 0 e 19 Kg. 64 5. SCELTA MOTORE Figura 5.2 : Data sheet per la scelta motore [6] 65 3. Inerzia del carico Si passa ora al calcolo dell''inerzia che sar`a collegata all''albero del motori- duttore, verificando se essa `e tollerabile dal riduttore o meno. L''inerzia dei 2 rulli del nastro trasportatore `e cos`ı calcolata: J1 = 1
8 · m2 · D 2 · 2 = 25 · 10''4 [kgm2] A cui va sommata l''inerzia del nastro: J2 = m1 ('·D) 2 4' 2 = 375 · 10 '' 4 [kgm2] trovando quindi l''inerzia totale J = J1 + J2 = 400 · 10 '' 4 [kgm2] Confrontata con l''inerzia permessa dal riduttore, JG = 1400 · 10 '' 4 [kgm2] si nota che questa `e molto maggiore e quindi non ci sono problemi e possiamo usare questo riduttore. Facendo un confronto con il dimensionamento, per esempio, di un semplice motore a corrente continua, si notano significative differenze. In particolare l'' ''oriental- motor' (e la maggior parte dei costruttori in genere) non fornisce tutti i dati costruttivi del motore ma fornisce semplicemente la coppia massima con la quale il motore pu`o lavorare, senza dare troppa importanza alla velocit`a. Questo per- ch`e, come gi`a detto, questo tipo di motore (se la coppia al carico non `e eccessiva) cercher`a di autoregolare la sua velocit`a; dall''altra parte nelle tipiche applicazioni in cui si fa uso di questo tipo di motore non si `e particolarmente interessati alla precisa velocit`a di rotazione del motore-carico ma interessa il range entro la quale varia. Conclusioni Scopo principale di questo elaborato `e stato quello di far capire il principio di fun- zionamento di questa macchina che `e economica, stabile, sicura, autoregolante e necessita di pochissima manutenzione. Vantaggio indiscusso di questo motore `e la facilit`a di utilizzo, ed in particolare il fatto di poter variare (entro certi limiti) il carico senza che la velocit`a di rotazione del motore cambi. Questa caratteristica (insieme alle precedenti) lo ha reso padrone incontrastato per tutte quelle appli- cazioni in cui sar`a presente una variazione del carico, come rulli trasportatori, ascensori, scale mobili ecc. ed in quelle applicazioni in cui l''importante `e che il motore ruoti ad una certa, alta e non precisa, velocit`a come per esempio pompe, impianti di ventilazione ecc. ed in queste applicazioni le caratteristice importanti sono l''economiciti`a, l''auto-avviamento e la longevit`a del motore. Fino ad una de- cina di anni fa il controllo di un MAT non era assolutamente diffuso, ma di recente gli sviluppi dell''elettronica di potenza hanno dato frutto ad inverter molto precisi e sicuri che riescono a far variare la velocit`a del motore rendendolo in grado di soddisfare un numero molto maggiore di applicazioni e dando anche la possibilit`a di effettuare un controllo (in catena chiusa, aperta o con inverter vettoriali pi` u complessi). Questo tipo di azionamento elettrico (MAT+controllo.inverter) non potr`a mai sostituire per esempio un motore in cc nelle applicazioni dove `e richie- sta una migliore dinamica ed un controllo molto preciso e veloce, ma sta iniziando ad essere molto diffuso nelle applicazioni che non richiedono prestazioni elevate, sfruttando i vantaggi di questo motore (MAT) gi`a elencati precedentemente. Glossario ' induction motor: motore asincrono ' squirrel-cage rotor: rotore a gabbia di scoiattolo ' cooling fan: ventola raffreddamento ' slip velocity: velocit`a di scorrimento ' steady-state: regime stazionario ' data sheet: dati di targa ' torque: coppia ' MAT: Motore asincrono Trifase ' Dimensionamento motore: preventivare i valori massimi di coppia motrice necessaria ed il tipo di movimentazione da eseguire per scegliere il motore pi` u adatto all''applicazione ' Range: intervallo ' Tiristore: dal punto di vista elettrico `e pressoch´e equivalente al diodo con la sola differenza che la conduzione diretta avviene solamente in seguito all''applicazione di un opportuno segnale di innesco su un terzo terminale denominato gate. ' monofase: single phase ' trifase: three phase 70 5. SCELTA MOTORE ' belt: rullo ' roller: puleggia Bibliografia [1] D. Assante, ''Motore asincrono,' Ph.D. dissertation, Universita degli Studi di Napoli. [2] http://www.electroportal.net. [3] A. M. and Trzynadlowski, Control of induction motors. USA: Academic press, 1999. [4] http://www.barrascarpetta.org/. [5] http://www.nerimotori.com/. [6] http://www.orientalmotor.it/it/sites/start.php. [7] http://www.abb.it/. [8] S. Bolognani, Azionamenti elettrici, Universita degli Studi di Napoli, 1999. Ringraziamenti Ringrazio il Professor Giulio Rosati per i preziosi consigli impartiti durante la ricerca del materiale e la stesura di questo elaborato e la mia famiglia.

Document Outline

Sommario Introduzione Struttura e funzionamento Principio di funzionamento Struttura generale Statore Rotore Rotore a gabbia di scoiattolo Rotore avvolto Funzionamento con rotore fermo Funzionamento con rotore in movimento Scorrimento Fenomeni tensioni-correnti nel funzionamento a vuoto Presenza di coppia al carico Potenze e rendimenti Curve caratteristiche Caratteristica elettrica Curva coppia-velocità Motore asincrono monofase Funzionamento di un MAT con alimentazione monofase Avviamento Avviamento con reostato Avviamento con tensione ridotta Resistori rotorici variabili Auto-trasformatore Stella-triangolo (Y/D) Soft starting Inversione marcia Variazione velocità Controllo velocità con asincrono Variazione della resistenza Cambiamento dei poli Modifica del modulo della tensione di alimentazione Variazione frequenza Inverter: schema a blocchi Modalità di funzionamento Controllo con inverter Parametri di regolazione di un inverter scalare Disponibilità del mercato Dati di targa Gamma Nerimotori: Gamma Orientalmotor Gamma Motoinverter Peculiarità rispetto ad un motore in c.c. Scelta motore Conclusioni Glossario Bibliografia


© Eiom - All rights Reserved     P.IVA 00850640186