Principio di funzionamento del MAT. (figura 1, parti essenziali e principio di funzionamento del MAT)

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1 Introduzione Il motore elettrico è una macchina (generalmente rotante) che trasforma energia elettrica in energia meccanica. L idea di applicare le azioni elettrodinamiche ed elettromagnetiche per produrre un lavoro meccanico risale ai primi decenni dell ottocento, subito dopo l enunciazione delle leggi di Ampère. I primi esperimenti pratici furono quelli di N. H. Jacobi che, nel 1834, per mezzo di un suo motore formato da sistemi di elettromagneti ed alimentato da batterie mosse un battello sul fiume Neva, e di S. Stratingh che nel 1835 riuscì a comandare un piccolo carrello. Questi tentativi cozzarono soprattutto contro il costo proibitivo dell energia elettrica necessaria che, allora, veniva prodotta unicamente per via chimica. Inoltre questi motori, nonostante i successivi miglioramenti, davano coppie pulsanti. Il primo motore elettrico efficiente e completo fu inventato da Antonio Pacinotti che costruì nel la cosiddetta macchinetta elettromagnetica con indotto ad anello e collettori a lamelle (da lui detti commutatori) e di cui annunciò anche la possibilità di funzionamento quale generatore di corrente continua, aveva così inizio l esistenza del fortunato motore a corrente continua. E il caso di ricordare che nello sfruttamento industriale che ne fece in seguito il belga Z. T. Gramme, che si attribuì furbescamente l invenzione, la macchina era usata solo come generatore e solo dopo esserne stata confermata la reversibilità (per un accidentale errore di manovra di un operaio nel 1873) venne diffusa industrialmente come motore. Intanto si era notato che anche il generatore sincrono di corrente alternata è reversibile, dando così origine al motore sincrono. Questo motore può però funzionare soltanto ad una determinata velocità e non è autoavviante. Per queste ragioni tale motore non ebbe vasta applicazione ed è tuttora usato solo per scopi speciali. Di importanza decisiva fu invece l invenzione del motore ad induzione, detto anche motore a campo rotante o motore asincrono. Fu Galileo Ferraris (professore di Fisica Tecnica al Regio Museo Industriale di Torino, oggi Politecnico) che nel 1885 scoprì teoricamente e verificò sperimentalmente la possibilità di produrre per via statica (mediante elettromagneti opportunamente disposti ed opportunamente eccitati con correnti alternate isofrequenziali) un campo magnetico rotante. Ferraris costruì da subito i primi modelli di motore asincrono e, lasciando generosamente di dominio pubblico la sua invenzione, ne permise un rapido sviluppo. Tale sviluppo da allora non si è più arrestato ed ha portato il motore asincrono ad essere oggigiorno la principale macchina motrice. Le ultimissime tecniche di azionamento mediante inverter stanno addirittura permettendo l impiego di questo motore anche in quegli ambiti che fino a pochi anni fa erano dominati dalle macchine in corrente continua, infatti il motore asincrono rimane insuperabile per la sua semplicità costruttiva, per la sua ridotta necessità di manutenzione e quindi per la sua economicità di esercizio.

2 Principio di funzionamento del MAT (figura 1, parti essenziali e principio di funzionamento del MAT)

3 La figura 1 mostra a sinistra le principali parti costituenti un normale motore asincrono, con particolare riferimento al motore con rotore a gabbia. Il disegno è una vista in sezione del motore, col piano di sezione normale all'asse longitudinale della macchina (asse dell'albero del motore). Non sono quindi rappresentate le due calotte che completano la chiusura protettiva ed i cuscinetti che sostengono l'albero tenendolo centrato sull'asse di rotazione. Inoltre per lo statore non sono riportati gli avvolgimenti induttori (del tipo aperto per correnti alternate trifase) che generano il campo rotante, ma è solo riportata la vista a forma di corona circolare di uno dei lamierini ferromagnetici che compongono il pacco statorico per il quale sono raffigurate le cave (separate da denti) destinate a contenere i conduttori attivi dell'avvolgimento statorico. Per il rotore sono in vista le sezioni delle barre di alluminio che compongono la gabbia di scoiattolo che costituisce l'avvolgimento d'indotto della macchina (non compaiono gli anelli di cortocircuito della gabbia stessa) e la vista di uno dei lamierini del pacco rotorico. La parte destra della figura 1 riassume invece il principio di funzionamento. Gli avvolgimenti trifasi statorici, alimentati da una terna trifase di tensioni, sono percorsi da una terna trifase di correnti sinusoidali e generano un campo magnetico rotante di intensità B [Wb/m 2 ] la cui velocità n 1 [g/1'] dipende dalla frequenza di alimentazione f 1 [Hz]e dal numero p di coppie polari secondo la relazione: Immaginando inizialmente il rotore fermo, n 2 = 0, tale campo rotante, bipolare nella rappresentazione, taglierà trasversalmente i conduttori attivi rotorici raffigurati che costituiscono i lati attivi di una spira chiusa in cortocircuito. Nella spira si svilupperà, grazie alla legge generale dell'induzione elettromagnetica, una forza elettromotrice indotta che farà circolare una corrente I 2 col verso di figura. Tale corrente interagirà col campo magnetico rotante induttore dando luogo a delle forze elettromagnetiche di intensità Fe dirette in modo tale da formare una coppia motrice C M. A causa della coppia motrice il rotore si metterà in movimento nello stesso senso del campo rotante. Mano a mano che il rotore acquista velocità sotto l'azione della coppia, diminuirà la velocità con la quale il campo rotante taglia i conduttori attivi di rotore e con essa le correnti rotoriche e la coppia motrice. Idealmente, se si trascurano gli attriti, la coppia motrice si annulla quando la velocità n 2 del rotore eguaglia la velocità n 1 del campo rotante. In realtà, anche se il motore è a vuoto (cioè senza coppie frenanti applicate al suo albero), le perdite meccaniche dovute all'attrito nei cuscinetti ed alla ventilazione del rotore nell'aria, fanno si che sia sempre n 2 < n 1 e che quindi permanga la piccola coppia motrice necessaria a vincere la coppia resistente. Se, col motore alimentato (e quindi col campo rotante induttore presente) e funzionante a vuoto, si applica una coppia frenante all'albero si ha che il rotore rallenta così che aumenta la velocità con la quale il campo rotante taglia gli avvolgimenti rotorici. Aumenta quindi la corrente rotorica e con essa la coppia motrice fino a che la coppia motrice eguaglierà la coppia resistente esterna ripristinando nuove condizioni di equilibrio dinamico ad una velocità del rotore inferiore alla precedente. Nel caso in cui la coppia frenante sia eccessiva, il rotore rallenterà fino a fermarsi ed il motore si troverà a funzionare nella condizione di cortocircuito (o rotore bloccato) non sostenibile se non per un breve istante di tempo a causa dell'elevata intensità delle correnti negli avvolgimenti.

4 Struttura del motore asincrono trifase

5 La struttura generale di una macchina asincrona trifase è la seguente: - - Cassa statorica: ha la funzione di contenere le parti interne della macchina, protegge tali parti da agenti esterni, permette il fissaggio della macchina al piano di supporto, deve resistere alle sollecitazioni meccaniche trasmesse dalle parti interne; - - Morsettiera: serve per il collegamento al circuito esterno; - - Circuito magnetico statorico: qui si sviluppa il campo magnetico di statore; - - Avvolgimento statorico: è formato da tre fasi e ha il compito di creare il campo magnetico che consente il funzionamento della macchina; - - Circuito magnetico rotorico: è collegato all albero rotante ed è separato dallo statore dal tra ferro; in esso si sviluppa il campo magnetico di rotore; - - Avvolgimento rotorico: costituisce l avvolgimento indotto che sviluppa la coppia motrice della macchina; - - Albero meccanico: serve per il collegamento al carico, è montato su dei cuscinetti che gli permettono di ruotare; - - Ventola di raffreddamento: ha la funzione di attivare la circolazione dell aria sulle parti in cui si sviluppa calore.

6 Motore asincrono trifase e numero di giri Il motore asincrono ideale ruota a velocità angolare costante e indipendente dalla coppia resistente applicata. In realtà se con f indichiamo la frequenza della rete di alimentazione (50Hz), con p il numero di coppie polari e con s lo scorrimento, il numero di giri è esprimibile come: (1) Se infatti definiamo con: n 1 la velocità di rotazione del campo magnetico rotante n 2 la velocità di rotazione del rotore è possibile introdurre lo scorrimento s: (2) da cui: (3) e quindi: (4)

7 Essendo però: (5) si ottiene per il numero di giri del motore: (6) Fig. 1: Caratteristica meccanica di un motore elettrico

8 Caratteristiche tecniche Specifiche tecniche Affinché un motore sia specificato in modo corretto è necessario prendere in considerazione i seguenti punti: Settore di impiego Potenza e velocità richiesta Tipo di montaggio Alimentazione Cuscinetti Verniciatura Prove di funzionamento Isolamento Settore di impiego L'ultima edizione della norma CEI 70-1, corrisponde alla norma europea EN "Gradi di protezione degli involucri (Codice IP)", classifica gli involucri mediante una sigla composta dal codice IP (International Protection), da due cifre, aventi il seguente significato: prima cifra caratteristica: indica sia il grado di protezione relativo al contatto con parti pericolose sia quello contro l'accesso di corpi solidi estranei; seconda cifra caratteristica: indica il grado di protezione che l'involucro offre contro la penetrazione di liquidi, importante per componenti posti in luoghi umidi o bagnati, per quelli installati all'aperto o immersi in un liquido, al fine di evitare guasti dovuti all'infiltrazione;

9 Potenza e velocità richiesta La scelta della potenza elettrica viene effettuata in base a considerazioni meccaniche. La velocità del motore invece dipende dal numero di poli e dalla frequenza di alimentazione in base alla seguente tabella: 50 Hertz 60 Hertz 2 Poli 2880 rpm 3460 rpm 4 Poli 1440 rpm 1750 rpm 6 Poli 960 rpm 1150 rpm 8 Poli 720 rpm 860 rpm 10 Poli 580 rpm 690 rpm 12 Poli 480 rpm 570 rpm Le tipologie di montaggio più comuni sono le seguenti Basamento orizzontale (B3) IM1001 Flangia orizzontale (B5) IM3001 Flangia e basamento orizzontale (B3/B5) IM2001 Flangia verticale (V1) IM3011 Tipo di montaggio

10 Alimentazione La corretta tensione di alimentazione è importante perché può cambiare le caratteristiche del motore. Per esempio se la tensione diminuisce del 5% la coppia di spunto del motore diminuisce del 10% e ciò significa che il motore non riesce a sviluppare una sufficiente coppia per partire. La tolleranza della tensione di alimentazione del motore deve essere dichiarata, per esempio +/- 10%; ciò assicura che il motore funzionerà correttamente nell'intervallo di tensione stabilito. La frequenza della tensione di alimentazione è un altro parametro che deve essere dichiarato perché essa modifica la velocità. Cuscinetti Le caratteristiche dei cuscinetti richiedono la definizione della marca, del tipo a sfera o del tipo a rullini e del metodo di ingrassaggio Verniciatura Le caratteristiche di verniciatura sono importanti nelle applicazioni nei settori della chimica e deve essere definito il tipo di vernice la marca e il colore finale Prove di funzionamento Bisogna definire se le prove sono di routin oppure prove che ne verificano le prestazioni complete

11 Isolamento Questo parametro serve a definire la temperatura massima sopportabile dal motore perché influenza la durata del motore stesso. La seguente tabella illustra i tipi di isolamento A Classe 105 E Classe 120 B Classe 130 F Classe 155 H Classe 180 Il valore standard è di classe F Motore monofase 2 poli 220 V ~ 50 Hz ± 10% assorbimento a vuota 0.33 A con condensatore da 4 µ F 130 W 2800 rpm protetto da disgiuntore termico forza di spinta 350 kg con condensatore da 4 µ F Esempio: Caratteristiche tecniche del motore di un cancello

12 Esempi Applicativi I motori asincroni monofasi trovano vaste applicazioni nel campo delle macchine utensili, pompe, ventilatori elettrodomestici con potenze fino a qualche kilowatt. La loro preferenza rispetto ai motori trifasi è dovuta alla possibilità di alimentazione con una linea monofase di cui ogni utente è provvisto. Un campo in cui viene quasi esclusivamente impiegato il motore monofase con condensatore permanente è quello delle lavabiancheria. I motori installati in tali elettrodomestici sono in genere realizzati con doppio avvolgimento statorico, uno con elevato numero di poli e l'altro con soli due o quattro poli. Ciò consente di avere con lo stesso motore due velocità di lavoro necessarie per le fasi di lavaggio (bassa velocità) e di centrifugazione (alta velocità). Motore monofase a commutatore. Simboli UNI

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