APPUNTI SUL MOTORE ASINCRONO TRIFASE

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1 Apputi sul otore Asicroo Trifse AUNTI SUL OTOE ASINONO TIFASE Iice. Geerlità Aspetti costruttivi orreti iotte, velocità i rotzioe e crtteristic meccic Esempi e esercizi GENEALITÀ Tr tutti i tipi i motori elettrici, quello sicroo trifse è sez ltro quello più iffuso per l su semplicità, robustezz e elevto reimeto. Si stim che oltre il 9% ei mcchiri utilizzti ell iustri sio zioti motori sicroi trifse. Sio qulche o f, il motore correte cotiu er iispesbile i tutti gli ziometi velocità regolbile. Oggi, grzie llo sviluppo ell elettroic i potez, si utilizz il motore sicroo trifse che i quei csi ove è richiest l regolzioe cotiu ell velocità; l utilizzo el motore c.c. (meo robusto, più igombrte e più costoso el motore. t.) è limitto csi molto prticolri (trzioe elettric). er vere u ie sull superiorità el motore sicroo trifse rispetto l motore correte cotiu, teete presete che il rpporto eso/otez per i ue motori è circ 2; cioè prità i potez il peso el motore c.c. h u peso oppio el motore. t.. Il costo el motore c.c. è circ 6 volte il costo el motore. t. i pri potez e velocità. Esistoo ioltre ltri motivi i orie prtico che giustifico l scelt el motore. t. rispetto l motore c. c.: l mcz el collettore e elle spzzole cosete i fr fuziore il motore per lughi perioi sez mutezioe che i mbieti co presez i gs ifimmbili. I motori sicroi trifse soo suivisi i ue gri ctegorie: ) motori co rotore gbbi; 2) motori co rotore vvolto; I motori co rotore gbbi soo ecismete più robusti e meo igombrti ei motori co rotore vvolto e ioltre ecessito i meo mutezioe. Si ricorre i motori co rotore vvolto solo ei csi i cui si richiest u coppi i sputo molto elevt. Nell mggior prte ei csi l vvimeto vviee vuoto (coppi resistete ull) o co coppi resistete moest (iferiore ll coppi omile el motore) e l scelt ce, perciò, sul motore gbbi. Il cmpo i poteze ispoibili è molto mpio:,8 kw 35 kw co tesioe i limetzioe 38 V e frequez 5 Hz, per fr frote tutte le possibili esigeze i ziometi. Ache il motore sicroo trifse co rotore gbbi h (srebbe più giusto ire vev perché oggi molti problemi soo stti risolti grzie ll elettroic) le sue pecche: ) ssorbe u correte elevt llo sputo (tle correte isturb gli ltri utilizztori perché provoc u cut i tesioe eccessiv sull lie i limetzioe); 2) forisce u coppi i sputo limitt (i geere iferiore o ugule ll coppi omile) e quii o cosete vvimeti sotto crico;

2 Apputi sul otore Asicroo Trifse 3) o è possibile regolre l velocità i rotzioe el motore geo solo sull tesioe i limetzioe. Gli limettori frequez vribile (vrio l tesioe e l frequez i moo che il rpporto V/f si mteg costte) cosetoo i ) cotrollre l correte urte l fse i vvimeto; 2) elevre l coppi i sputo i moo cosetire gli vvimeti sotto crico; 3) regolre co cotiuità l velocità i rotzioe el motore. rim i illustrre il fuziometo el motore sicroo trifse, è utile richimre l efiizioe i motore elettrico: u motore elettrico è u mcchi (cfr. Fig..) i cui l potez i igresso è i tipo elettrico e l potez i uscit è i tipo meccico. L L L 2 3 OTOE ELETTIO sse i rotzioe AIO EANIO ω Lie i limetzioe U motore elettrico ssorbe potez elettric ll lie i limetzioe trsformol i potez meccic ispoibile ll sse i rotzioe. Fig.. - otore elettrico. L potez i igresso (potez ssorbit) è: = ove: 3VI cosφ V = tesioe i lie coctet [V]; I = correte ssorbit [A]; cos φ = fttore i potez el motore. viee prelevt ll lie elettric i limetzioe ( L2 3 L,, L iico le tre fsi). L potez i uscit (potez meccic ispoibile sull sse i rotzioe) è espress l prootto = ω 2

3 Apputi sul otore Asicroo Trifse co = coppi meccic [Nm]; l coppi può che essere espress i [J] oppure i [W / r/s]; ω = velocità golre i rotzioe ell lbero motore (velocità meccic) [r/s]. osto = velocità i rotzioe ell lbero motore (velocità meccic) [giri/mi]. si h che ω = 2π f = 2π / 6 esseo f = / 6 [Hz] il umero i giri compiuti ll lbero motore i secoo. Ne segue che l potez meccic forit l motore può essere espress che come = 2π 6 A regime l coppi meccic el motore elettrico è ugule (m i sego opposto) ll coppi resistete pplict ll sse (il motore zio u mcchi opertrice, esempio u trpo, u press, u pomp). L potez i uscit è iferiore ll potez i igresso (elettriche e mecciche) te = cus elle perite itere ovvero, sostitueo le espressioi i,, si h che = 3 VI cosφ ω. L perit i potez è l somm elle perite per effetto Joule egli vvolgimeti i sttore e i rotore, elle perite el ferro per isteresi e correti prssite e elle perite mecciche per ttrito e vetilzioe. Il rpporto tr l potez i uscit e l potez i igresso efiisce il reimeto η el motore ω η = = ; 3VI cosφ vlori tipici i reimeto soo compresi ell itervllo 75% (motori i potez ell orie el kw) 95% (motori i potez ell orie elle cetii i kw). 2. ASETTI OSTUTTIVI Il motore sicroo trifse è costituito u prte fiss e u prte mobile rotte. L prte fiss, ett sttore, è formt u pcco i lmierii i ferro-silicio veti l form i coro circolre. Le sclture itere l pcco i lmierii sttorici (cve sttoriche) soo estite ccogliere i couttori (filo i rme smltto) ell vvolgimeto trifse sttorico. L prte rotte, ett rotore, è iter llo sttore e è costituit u pcco i lmierii i ferro silicio veti l form i coro circolre co foro itero per il pssggio ell lbero i rotzioe e sclture estere (cve rotoriche) per ccogliere l vvolgimeto rotorico (filo i rme el cso i rotore vvolto o brre i rme o i llumiio el cso i rotore gbbi i scoittolo). Tr sttore e rotore è presete uo spessore ri (chimto trferro) i qulche ecimo i millimetro (o i qulche millimetro el cso i grossi motori) che cosete l liber rotzioe el 3

4 Apputi sul otore Asicroo Trifse rotore. Geerlmete, le cve i rotore soo più umerose elle cve i sttore per cosetire u più gevole vvimeto el motore e riurre le vibrzioi. L vvolgimeto i rotore può essere i ue tipi: ) gbbi i scoittolo (rotore i corto circuito); 2) vvolto co collettore elli. L gbbi i scoittolo è costituit u serie i sbrre i rme o i llumiio (ogi sbrr occup u cv i rotore) co le estremità collegte ue elli formti sempre i rme o llumiio. Nei rotori elli le cve rotoriche soo see i u vvolgimeto co filo i rme smltto simile ll vvolgimeto sttorico. L vvolgimeto rotorico, collegto stell, f cpo tre elli i brozo isolti tr i loro e clettti sull sse i rotzioe. Su ciscu ello poggi u spzzol per permettere l chiusur elle tre fsi rotoriche su u reostto i vvimeto. Nel fuziometo ormle (vvimeto ultimto) i tre elli vegoo cortocircuitti. E eviete l mggiore complessità e igombro el motore vvolto rispetto l motore gbbi. Il sistem elli-spzzole-reostto i vvimeto è soggetto usur e o può essere utilizzto i presez i sostze ifimmbili. erciò l utilizzo el motore vvolto è limitto i csi i vvimeto peste (elevte coppie resisteti pplicte ll sse). Il fuziometo el motore sicroo trifse si bs sull iterzioe tr il cmpo mgetico geerto lle bobie i sttore (cmpo mgetico rotte) e il cmpo mgetico iotto elle bobie i rotore. Le tre bobie rettgolri i sttore soo isposte 2 l u ll ltr e limette u ter trifse i correti equilibrte. All itero ello spzio elimitto lle tre bobie è presete u ciliro i lmierii (co gbbi ester i rme o llumiio) libero i ruotre itoro l proprio sse see i correti iotte. er compreere il pricipio i geerzioe el cmpo mgetico rotte (cfr. Teorem i Glileo Ferrris) si osservi l Fig. 2. ove è rppresetto lo stto elle bobie i sttore i termii i correti etrti/usceti i tre iffereti istti temporli. I prticolre il pllio pieo iic u correte etrte metre il pllio vuoto iic u correte uscete. Si osserv che ll iterzioe (somm) ei cmpi mgetici ssociti ciscu bobi sce u cmpo mgetico l cui irezioe cmbi el tempo. Si h cioè u cmpo mgetico rotte. N S N S Istte t S Istte t2 Istte t3 N Fig Geerzioe el cmpo mgetico rotte. I ltre prole limeto le tre bobie co tre correti lterte, ell stess frequez e itesità, sfste tr i loro i 2 elettrici (cfr. Fig. Fig. 2.2) si viee geerre ello spzio itero lle bobie u cmpo mgetico rotte che compie u giro ogi perioo T elle correti che 4

5 Apputi sul otore Asicroo Trifse percorroo le bobie. Se le bobie (come vviee geerlmete) vegoo limette meite u ter i tesioi (38 V cocteti) i frequez f = 5 Hz, il perioo T risult T = = f 5 =.2 s = 2 ms e il cmpo mgetico complet u giro ogi 2 ms, cioè compie 5 giri l secoo (3 giri l miuto). I I 3 I 2 Fig. 2.2 orreti i sttore. L vvolgimeto fisso (vvolgimeto i sttore) può essere relizzto i moo che il cmpo mgetico geerto bbi 4 poli. I questo cso l velocità i rotzioe el cmpo mgetico risult imezzt (5 giri/mi ivece i 3 giri/mi). I geerle, iico co f l frequez elle tesioi i limetzioe ello sttore e co p le coppie polri ell vvolgimeto sttorico (è iifferete prlre i coppie polri el cmpo mgetico rotte o i coppie ell vvolgimeto), l velocità i rotzioe el cmpo mgetico (espress i giri/mi) risult f = 6 p Tle qutità è chimt velocità i sicroismo. Se f = 5 Hz, le velocità i sicroismo ei motori ue poli ( p = ), quttro poli ( p = 2 ), sei poli ( p = 3 ), risulto rispettivmete = = 3 giri/mi; = = 5 giri/mi; = = giri/mi. 2 3 L mggior prte ei motori sicroi trifse vegoo relizzti co 2, 4, 6 poli (co preferez per il motore 4 poli). D teere presete che ( prità i potez) umeto il umero ei poli, umeto il peso e le imesioi el motore, metre il reimeto e il fttore i potez si bbsso. er questo motivo o è coveiete costruire e utilizzre motori co u elevto umero i poli. I prtic, quo occorre u bss velocità, si preferisce utilizzre sempre u motore veloce (2 o 4 poli) ccoppito u riuttore meccico cighie o igrggi, oppure si riuce l frequez elle tesioi i limetzioe meite u regoltore i frequez elettroico. 5

6 Apputi sul otore Asicroo Trifse 3. OENTI INDOTTE, VELOITÀ DI OTAZIONE E AATTEISTIA EANIA Il rotore, sottoposto ll zioe el cmpo mgetico rotte è see i correti iotte. Le correti iotte ho u verso tle opporsi ll cus che le geer. L cus è proprio il cmpo mgetico rotte e, perciò, il rotore si poe i rotzioe ello stesso verso el cmpo rotte. L velocità el rotore è iferiore ll velocità el cmpo mgetico rotte, perché se fosse = o si vrebbe più vrizioe i flusso el rotore, le correti iotte si ullerebbero e così pure l coppi motrice. erciò il rotore ruot sempre u velocità i poco iferiore. L velocità i rotzioe è etermit ll coppi resistete Se pplict ll sse. umet il motore rllet ( imiuisce) sio sviluppre u coppi equilibrre l Se ivece. coppi sviluppt m i gro i imiuisce, il motore cceler ( umet sez rggiugere ) sio quo l m o ivet ugule ll uov coppi resistete Questo comportmeto el motore sicroo trifse è rissuto el grfico i Fig. 3. ove è rppresett l coppi motrice () e l coppi resistete (). oppi motrice e resistete soo rppresette i fuzioe ell velocità i rotzioe el motore. Il grfico i () è etto crtteristic meccic el motore. Il puto è etto puto i lvoro el motore e pprtiee l trtto stbile ell crtteristic meccic.. Fig rtteristic meccic e il puto i lvoro i u motore sicroo trifse. L ifferez tr l velocità i sicroismo e l velocità effettiv, rpportt, efiisce lo scorrimeto el motore: s = Lo scorrimeto è u umero imesiole compreso tr e. Quo il motore è fermo si h 6

7 Apputi sul otore Asicroo Trifse = e s = = =. Quo il motore fuzio vuoto (coppi resistete = ) l velocità i rotzioe è prticmete ugule ll velocità i sicroismo e lo scorrimeto risult s = =. Nel fuziometo ormle, l velocità è i poco iferiore ll velocità i sicroismo e lo scorrimeto s ssume vlori molto piccoli (geerlmete tr, e,8 ossi i termii percetuli tr l % e l 8%). Noto lo scorrimeto e l velocità i sicroismo si può ricvre l velocità i rotzioe el motore: = ( s). 4. ESEI ED ESEIZI Esempio - U motore sicroo 4 poli, limetto 4 V (tesioe coctet o i lie), 5 Hz, ssorbe 5 kw. Le perite mmoto complessivmete 3 kw e lo scorrimeto è el 2%. Trovre reimeto, coppi utile (o res) e correte ssorbit se il cos φ vle.75. oiché l potez i limetzioe è potez meccic (potez utile o potez res) è reimeto è 2 η = = =. 8 (8%). 5 = 5kW e l potez issipt (pers) è = 3kW, l = = 5 3 = 2kW. Ne segue che il er clcolre l coppi utile, ot l potez res occorre cooscere il umero i giri el motore. L velocità i sicroismo (velocità el cmpo mgetico rotte i sttore) risult 6 f 6 5 = = = 5giri p 2 / mi cui, coosceo lo scorrimeto, si h che l velocità i rotzioe ell lbero motore è = ( s) = 5(. 2) 47giri / mi = cui corrispoe l velocità golre ω = 2 πf = 2π / 6 = 53.9r / s icoro l espressioe ell potez meccic ( = ω ) si h che = ω 2 = = Nm L correte ssorbit vle I = 5 = = 28. 9A. 3 V cosφ

8 Apputi sul otore Asicroo Trifse Esercizio -U motore sicroo 2 poli, limetto 38 V, 5 Hz, ssorbe 3 A, co cos φ =.75. Speo che il reimeto è el 7% e lo scorrimeto el 3%, clcolre: ) l potez ssorbit; b) l potez res; c) le perite complessive; ) il umero i giri/mi el motore; e) l coppi utile. [ ) 4. 79kW, b) =. 354kW, c) = kW, ) = 29giri / mi, e) 34 Nm ] Esercizio 2 -U motore sicroo limetto 38 V, 5 Hz, forisce 5 kw i potez meccic u velocità i 44 giri/mi. Supposto il reimeto pri.72 e il fttore i potez.8 etermire: ) le perite complessive; b) l potez ssorbit; c) l correte ssorbit; ) l coppi res o utile. [944 W; 6944 W; 3.2 A; 33.6 J] 8

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