PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E PARTICOLARITÀ COSTRUTTIVE DEI MOTORI ASINCRONI POLIFASI
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- Romina Berti
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1 Fig. 1 Motore asincrono secondo lo schema di Galileo Ferraris. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO E PARTICOLARITÀ COSTRUTTIVE DEI MOTORI ASINCRONI POLIFASI Principio di funzionamento. I motori asincroni polifasi, e in particolare i trifasi, costituiscono la categoria tecnicamente più diffusa di motori elettrici. Essi realizzano la più importante utilizzazione dei campi rotanti generati mediante un sistema di correnti polifasi, e vengono perciò denominati anche motori a campo rotante. Il motore asincrono è stato realizzato la prima volta da Galileo Ferraris (1885), quale immediata conseguenza della sua scoperta del campo rotante. L'apparecchio costruito da Galileo Ferraris era costituito da due bobine uguali fissate con i rispettivi assi normali fra loro, secondo la disposizione schematica indicata in fig. 1: nello spazio compreso fra le due bobine era imperniato un leggero cilindro di rame vuoto. Alimentando le due bobine con due correnti alternate di egual frequenza ed egual valore efficace, ma sfasate fra loro di un quarto di periodo, si genera come è noto un campo rotante, di intensità costante, il quale compie un giro ad ogni periodo. Il funzionamento di questo dispositivo come motore deriva dal fatto che il campo rotante induttore scorrendo di fronte alle singole generatrici del cilindro, vi genera delle correnti indotte come in fig. 2. 1
2 Questo sistema di correnti indotte risulta a sua volta immerso nel campo magnetico rotante che le genera, il quale esercita su di esse (cioè sulle generatrici del cilindro che ne sono il supporto) un complesso di forze magnetoelettriche come f, costituenti nel loro insieme una coppia che trascina il cilindro in rotazione nello stesso verso del campo rotante induttore. (Considerando la fig. 2, assegnato il verso di rotazione ω del campo, si applica una prima volta la regola della mano destra (si deve considerare i1 moto relativo delle generatrici del cilindro rispetto al campo ; tale moto e opposto a quello del vettore B) per determinare verso delle correnti indotte I, e poi la regola della mano sinistra per determinare il verso delle forze f e quindi della coppia motrice risultante). Si può del resto osservare che le correnti indotte nel cilindro devono opporsi, per la legge di Lenz, alla causa che le genera: il loro effetto magnetoelettrico deve quindi necessariamente tradursi in una coppia che trascina il cilindro a seguire la rotazione del campo induttore, così da diminuire la velocità relativa di scorrimento fra il campo stesso ed il cilindro indotto. Nella sua rotazione tuttavia il sistema indotto non può mai raggiungere la velocità del campo rotante, perché cesserebbe in tal caso il moto relativo tra il campo induttore e il sistema indotto e si avrebbe corrispondentemente l estinzione completa delle correnti indotte e perciò anche l'annullamento dell'azione motrice. Fig. 2 - Come si genera la coppia motrice nel motore asincrono. 2
3 Ne segue che il sistema indotto può solo seguire la rotazione del campo rotante induttore con velocità minore, onde permanga precisamente, fra il campo induttore e il sistema indotto, quel moto relativo di scorrimento per il quale le correnti indotte assumono l intensità necessaria e sufficiente a sviluppare la coppia motrice che si richiede a mantenere il cilindro in rotazione. Se la rotazione viene frenata il moto rallenta, e con ciò, per la maggiore velocità relativa con la quale il campo rotante scorre davanti al cilindro, aumentano anche le correnti indotte: si stabilisce così una nuova velocità di equilibrio per la quale ancora le correnti indotte assumono la intensità necessaria a vincere la coppia resistente applicata. Si intravede così il fatto che in questi motori aumentando la coppia resistente applicata all'albero la velocità di rotazione diminuisce; la velocità di rotazione non è dunque legata rigidamente alla velocità del campo rotante (velocità sincrona) come nei motori sincroni e perciò appunto, i motori in questione, vengono denominati asincroni. Per il fatto inoltre che il sistema indotto non viene alimentato dall'esterno ma è solo percorso dalle correnti indotte dal campo rotante (funzionando in ciò come il secondario di un trasformatore di cui il sistema induttore costituisce il primario) questi motori vengono anche indicati con il nome di motori a induzione. In linea di principio sarebbe del tutto indifferente tenere fisso il sistema induttore oppure l'indotto; considerazioni pratiche evidenti consigliano però di mantenere fisso il sistema induttore che deve essere collegato alla linea di alimentazione, e mobile l'indotto in cui le correnti percorrono circuiti chiusi su se stessi senza comunicazione coll'esterno. 3
4 Si può dire quindi che i motori asincroni sono costituiti in generale da uno statore che porta gli avvolgimenti induttori collegati con la linea di alimentazione e destinati a produrre il campo rotante, e da un rotore che costituisce il sistema indotto in cui circolano le correnti indotte la cui interazione col campo rotante induttore origina la formazione della coppia motrice che trascina l indotto in rotazione. I due sistemi induttore e indotto vengono anche denominati rispettivamente primario e secondario come nei trasformatori. Per realizzare un campo rotante sufficientemente intenso, con correnti magnetizzanti relativamente piccole, è necessario ridurre al minimo la riluttanza dei circuiti magnetici attraverso cui si chiudono le linee di forza del campo. Gli avvolgimenti destinati a produrre il campo rotante vengono montati perciò su uno statore di materiale magnetico costituito da un pacco di corone circolari di lamiere di ferro isolate con carta, disponendo i conduttori attivi entro canali praticati lungo le generatrici interne del pacco lamellare, con disposizione identica a quella impiegata nella costruzione dello statore degli alternatori. Fig. 3 - Struttura schematica del motore a campo rotante. La struttura schematica del motore a campo rotante di Galileo Ferraris assume così la forma indicata nella fig. 3. Nell'intento sempre di migliorare le caratteristiche magnetiche della macchina anche il rotore di rame viene abbandonato e sostituito invece da un rotore costituito da un nucleo di ferro lamellato munito sulla periferia di un certo numero di canali entro cui vengono allogati opportuni conduttori longitudinali di rame, con le estremità sporgenti dal pacco lamellare e collegate fra loro onde formare dei circuiti chiusi per la libera circolazione delle correnti 4 indotte.
5 Si raggiunge in tal modo lo scopo di conservare all'indotto una buona conducibilità elettrica nel verso assiale obbligando le correnti indotte a circolare e richiudersi in circuiti prestabiliti, e ottenere nel contempo la minima riluttanza magnetica nelle direzioni radiali seguite dalle linee di forza del campo rotante. L'immersione dei conduttori di rame dello statore e rotore entro canali praticati lungo le generatrici dei rispettivi pacchi lamellari permette di ridurre al minimo l'intraferro tra rotore e statore, limitandolo ai più piccoli valori compatibili con le esigenze meccaniche inerenti alla rotazione del rotore. I motori asincroni possono essere realizzati evidentemente con un sistema polifase simmetrico avente un numero qualunque di fasi. In relazione al fatto però che la distribuzione dell'energia elettrica viene fatta quasi esclusivamente con sistemi trifasi, nelle applicazioni correnti si trovano applicati quasi esclusivamente motori asincroni trifasi. Le caratteristiche costruttive e di funzionamento (in particolare la velocità sincrona) rimangono del resto le stesse, indipendentemente dal numero delle fasi, variando solo il numero e la posizione reciproca degli avvolgimenti destinati a produrre il campo rotante induttore : così se il motore asincrono è bifase si hanno sullo statore due avvolgimenti induttori identici spostati l'uno rispetto all'altro di un angolo pari a 90 elettrici corrispondente a un quarto di periodo; se invece si tratta di un motore trifase lo statore porta tre avvolgimenti identici spostati l'uno rispetto all'altro di un angolo pari a 120 elettrici, e così via. Con le ordinarie frequenze industriali il numero dei giri del campo rotante bipolare risulta in genere troppo elevato, nel senso che essendo, come si vedrà, la velocità effettiva di rotazione del rotore solo leggermente inferiore a quella del campo rotante, il motore bipolare risulta troppo veloce per la maggior parte delle applicazioni pratiche. [Con la frequenza di 50 Hz ad esempio il campo rotante bipolare compie 3000 giri al primo: il rotore di un motore asincrono bipolare può girare corrispondente con una velocità dell'ordine di giri al primo].
6 Per ottenere velocità minori, i motori asincroni vengono costruiti perciò nella gran maggioranza dei casi con avvolgimenti multipolari : la velocità sincrona, cioè la velocità del campo rotante, in giri al primo, viene data allora dalla nota formula f n = 60 p essendo f la frequenza di alimentazione e p il numero delle coppie di poli del campo. 6
7 Costruzione dello statore. Lo statore dei motori asincroni si compone di un pacco lamellare a forma di corona circolare in materiale ferromagnetico (a non elevato contenuto di silicio, meno dell 1 %, onde limitare la fragilità), investito entro una carcassa di ghisa, o di lamiera saldata, o di lega leggera, la quale costituisce la parte portante della macchina. Il pacco lamellare è suddiviso in pacchi parziali separati da opportuni distanziatori per realizzare i canali di ventilazione, ed è mantenuto serrato sulle fronti mediante anelli o piastre di compressione. Le cave (o canali) entro cui vengono allogati gli avvolgimenti induttori sono in genere del tipo chiuso o semichiuso, e solo eccezionalmente del tipo aperto da chiudersi con biette. Si può del resto affermare che nei riguardi sia della struttura magnetica che della formazione degli avvolgimenti, la composizione dello statore dei motori asincroni è identica a quella dello statore delle macchine sincrone. In generale quindi un qualunque statore provvisto di avvolgimento trifase eseguito per p coppie di poli può venire senz'altro utilizzato in triplice modo, e cioè: Facendo ruotare nell'interno dello statore una ruota polare con p coppie di poli esso funziona come sistema indotto e genera corrente trifase (alternatore). Viceversa, alimentando lo statore con una linea trifase esso genera net suo interno un campo rotante con p coppie di poli il quale può trascinare in rotazione sincrona la ruota polare precedente (motore sincrono); Alimentando ancora lo statore con una linea trifase dopo aver sostituito la ruota polare con un rotore lamellato, provvisto di opportuni avvolgimenti chiusi su se stessi che consentano la libera circolazione delle correnti indotte, il campo rotante generato dallo statore trascina questo rotore in rotazione asincrona, e con ciò si realizza il motore asincrono. 7
8 Pertanto le disposizioni costruttive dell'indotto degli alternatori polifasi possono essere direttamente applicate, senza alcuna variante, alla realizzazione pratica dello statore dei motori asincroni. In via del tutto generale anzi, un alternatore o motore sincrono polifase possono essere sempre trasformati in un motore asincrono cambiando esclusivamente il rotore: il motore asincrono che ne risulta potrà essere alimentato da una linea polifase avente la stessa tensione e frequenza che costituivano i dati di targa dello statore nel funzionamento come alternatore o motore sincrono, ed anche la potenza che potrà essere sviluppata dal motore asincrono non risulterà sensibilmente variata; solo la velocità di rotazione del motore asincrono risulterà alquanto inferiore a quella del motore sincrono corrispondente, di quanto occorre perché possano generarsi nel rotore le correnti indotte necessarie a vincere la coppia resistente applicata all'albero. Per tutto ciò che riguarda la composizione dello statore dei motori asincroni restano pertanto identicamente richiamate tutte le considerazioni esposte per lo statore degli alternatori bifasi o trifasi. In particolare gli avvolgimenti statorici vengono correntemente realizzati secondo tutti i diversi schemi considerati per le macchine sincrone. Si impiega il filo isolato, realizzando gli avvolgimenti a matassa per i motori di potenza piccola oppure anche per motori di grande potenza se la tensione è elevata (correnti piccole), mentre si usano gli avvolgimenti a sbarre quando la corrente raggiunge intensità tali da sconsigliare l'uso del filo. Il numero di canali per polo e per fase non si fa mai minore di tre per ottenere con la ripartizione degli avvolgimenti una distribuzione del flusso nell'intraferro il più vicino possibile alla forma sinusoidale. 8
9 Fig. 4 - Collegamenti delle fasi ai morsetti dello statore di un motore asincrono: a) collegamento a stella; b) collegamento a triangolo. L'isolamento viene assicurato con cartoccio isolante e fasciando i lati di matassa con nastrature di cotone, per le basse tensioni, mentre se la tensione è elevata (oltre i 500 volt) si infila nei canali chiusi o semichiusi un vero tubo di cartone, o meglio ancora di micanite. Le fasi ultimate infine, vengono collegate a stella oppure a triangolo. Generalmente nei motori di serie i capi delle tre fasi vengono riportati a sei morsetti situati su un fianco della carcassa e coperti da una scatola : riesce comodo in tal modo cambiare il collegamento fra le fasi cambiando semplicemente le connessioni fra i morsetti. I collegamenti delle fasi ai morsetti possono venire eseguiti ad esempio nell'ordine indicato nella fig. 4: con una lastrina orizzontale si ottiene allora il collegamento a stella e con le tre lastrine verticali invece il collegamento a triangolo. Si costruiscono anche avvolgimenti le cui matasse, per ciascuna fase, sono divise in due gruppi che possono essere collegati fra loro in serie o in parallelo; possibile allora realizzare i collegamenti a stella semplice (con due gruppi di matasse in serie), a stella doppia (coi due gruppi di matasse in parallelo), a triangolo semplice e a triangolo doppio (coi due gruppi di matasse ancora in serie oppure in parallelo) ; la morsettiera presenta in tal caso dodici morsetti i quali per mezzo di nove piastrine consentono di ottenere tutti i 9 collegamenti indicati.
10 I motori così costruiti, a seconda dei collegamenti, possono funzionare a quattro tensioni diverse e precisamente: alla tensione V nel primo caso, e alle tensioni V/2, V/ 3, V/(2 3) ordinatamente negli altri tre. La carcassa dei motori è comunemente fusa in ghisa a sezione piena o cava a seconda del diametro, o di lamiera saldata. Per motori di piccola potenza costruiti in grandi serie si adottano frequentemente delle carcasse in lega leggera pressofusa attorno al pacco magnetico. I supporti del rotore sono generalmente del tipo a piatti o a raggiera, applicati direttamente sulle fronti della carcassa : questa costruzione è preferita anche per i motori di grande potenza perché assicura meglio la centratura del rotore che non la sospensione con supporti indipendenti ; il problema meccanico della perfetta centratura del rotore è infatti particolarmente delicato nei motori asincroni, per gli stretti limiti entro cui deve essere contenuto l'intraferro, il quale raggiunge appena dei valori prossimi a 2 mm nei motori più grandi, mentre può scendere fino a 0,3 mm nei motori minori. La cavità interna del pacco lamellare dello statore e la superficie esterna del rotore devono essere perciò sottoposte a una leggera tornitura, per correggere le eventuali imperfezioni dei pacchi lamellari. 10
11 Costruzione del rotore. Il rotore dei motori asincroni è costituito sempre, per la parte magnetica, da un pacco di corone circolari di lamiere magnetiche; si adottano in ciò disposizioni costruttive analoghe a quelle impiegate nella costruzione degli indotti delle dinamo; rispetto a queste varia solo la forma dei canali i quali, mentre nelle dinamo sono sempre aperti, nei motori asincroni sono invece semichiusi o completamente chiusi. Rimangono invariate la composizione del pacco lamellare, con l'interposizione di opportuni canali di ventilazione, e le disposizioni costruttive per il fissaggio del pacco lamellare all'albero mediante lanterne a razze, per grandi diametri, oppure mediante lanterne a disco con semplice mozzo, per diametri minori. Un particolare importante relativo alla dentatura dei pacchi lamellari dei motori asincroni deriva dall'opportunità di evitare che si verifichi la coincidenza fra molti denti del rotore con i denti contrapposti dello statore: ciò per evitare l'impuntamento del rotore, il quale tenderebbe a bloccarsi nella posizione di minima riluttanza (denti di statore e rotore contrapposti). Per tale fatto, e per ridurre al minimo le vibrazioni causate dalle pulsazioni dell'induzione lungo l'intraferro, conseguenti al periodico allinearsi dei denti di statore e di rotore, si usa tenere «primi tra loro» i due numeri di canali per polo e per fase del rotore e dello statore (*). In generale il numero di canali del rotore si fa maggiore di quello dello statore. (*) Dal numero di cave di statore e di rotore dipendono anche le interazioni tra le componenti armoniche presenti nel campo induttore e in quello indotto; se queste interazioni si susseguono ciclicamente possono dar luogo a forti vibrazioni. 11
12 Di uso corrente sono ad esempio 3 canali per polo e per fase nello statore e 4 nel rotore, oppure 4 canali per polo e per fase nello statore e 5 nel rotore. La fig. 7 indica un esempio di dentatura di statore e rotore contrapposte: ogni 3 denti di statore si hanno 4 denti di rotore. Ogni corona di rotore viene ricavata dallo stesso foglio di lamiera da cui si ricava una corona di statore; gli assi delle cave sono convergenti al centro; i fianchi dei denti sono paralleli agli assi. I canali, ottenuti nella formazione del pacco lamellare del rotore, possono venire disposti in direzione parallela all'asse di rotazione oppure inclinati di una quantità pari al passo di dentatura del pacco statorico ; quest'ultima disposizione rende impossibile un diretto allineamento fra denti di statore e di rotore, e rappresenta perciò un altro metodo per evitare l'impuntamento e le vibrazioni. Fig. 7 - I numeri di canali per polo e per fase relativi allo statore e al rotore sono primi tra loro. 12
13 Il taglio delle lamiere procede in genere nel modo seguente. Dopo aver incollato sulle lamiere (aventi in genere le dimensioni di 1 x 2 m) la carta isolante, si tagliano tanti quadrati circoscritti al diametro esterno D delle lamiere di statore si procede quindi alla punzonatura della corona di fori di statore e successivamente alla punzonatura della corona concentrica dei fori di rotore. Si taglia quindi alla cesoia circolare il disco corrispondente al diametro interno d del rotore, e infine con la stessa cesoia si separano con taglio circolare esatto fra le due punzonature le due corone che vanno a comporre i pacchi, rispettivamente di statore e rotore. I canali vengono generalmente punzonati in forma chiusa praticandone la stretta apertura dopo eseguito il taglio delle corone. 13
14 Per quanto riguarda la struttura del circuiti indotti, il tipo più semplice e robusto di rotore si realizza infilando nei canali altrettante sbarre di rame, ciascuna delle quali riempie completamente un canale. Le testate delle sbarre che sporgono dal pacco lamellare vengono direttamente collegate fra loro, da una parte e dall'altra, mediante un grosso anello di rame. Il rotore così costruito prende la forma indicata in fig. 8 e viene indicato coi nomi di rotore a gabbia di scoiattolo o rotore in corto circuito. Fig. 8 - Rotore a gabbia di scoiattolo (o in corto circuito). Le sbarre di rame collegate sulle fronti dai due anelli formano tanti circuiti chiusi di piccolissima resistenza ohmica, nei quali possono liberamente circolare le correnti che vi sono indotte dal campo rotante. Questo tipo di rotore non ha un numero di poli suo proprio, ma le correnti indotte circolano nelle sbarre in modo tale da generare altrettanti poli quanti sono quelli del campo rotante 14 induttore.
15 Per questi fatti l'applicazione del rotore a gabbia dove essere generalmente limitata ai motori di potenza relativamente piccola e destinati ad avviarsi a vuoto o per lo meno con coppie allo spunto modeste. Per motori di potenza maggiore è necessario provvedere a limitare i valori della corrente di spunto e diminuire nel contempo lo sfasamento della corrente stessa rispetto alla tensione onde ottenere, pur con la corrente ridotta, una maggiore coppia. Come sarà meglio chiarito in seguito, tale scopo richiede che venga aumentata la resistenza ohmica dei circuiti indotti del rotore, perché aumentando la resistenza diminuisce la corrente e diminuisce anche lo sfasamento. Questo problema ha trovato numerose soluzioni, ma la soluzione che si è generalizzata a tutti i motori normali viene ottenuta abbandonando il rotore a gabbia e costruendo invece sul rotore un ordinario avvolgimento polifase, equivalente all'avvolgimento statorico: tale avvolgimento polifase viene generalmente collegato a stella e i capi liberi delle fasi vengono utilizzati per in inserzione delle resistenze che si richiedono all'atto dell'avviamento (reostato di avviamento) mentre vengono poi direttamente collegati in corto circuito fra loro, quando il motore è completamente avviato. 15
16 In tal modo all'avviamento le f. e. m. indotte nelle fasi del rotore si trovano chiuse sul circuito ohmico del reostato che limita le correnti a valori tollerabili e ne diminuisce lo sfasamento aumentando la coppia, mentre a motore avviato le fasi del rotore, chiuse in corto circuito, presentano una resistenza sufficientemente piccola per conferire al motore un buon rendimento. Per effettuare l'inserzione delle resistenze nei circuiti del rotore, i capi di questi vengono collegati a tre anelli di bronzo isolati e calettati sull'albero del rotore: su tali anelli appoggiano delle spazzole fisse alle quali si collegano i conduttori che vanno al reostato di avviamento. Fig Struttura schematica di un rotore trifase ad anelli con reostato di avviamento. Lo schema elettrico di un rotore trifase di questo tipo corrisponde perciò alla disposizione indicata in fig. 11 ed il rotore viene designato praticamente col nome di rotore avvolto o rotore ad anelli. Il reostato di avviamento è costituito da tre resistenze uguali, sulle quali un cursore metallico a tre bracci realizza il centro di una stella: ruotando il cursore tale centro si sposta per tasti successivi arrivando infine a stabilire il corto circuito diretto sui morsetti connessi con gli anelli del rotore. 16
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