Motore asincrono trifase
Approfondimento tecnico su costruzione, rendimento, prove e regolazione
Il motore asincrono trifase rappresenta, senza dubbio, il vero e proprio “cavallo da tiro” dell’industria moderna. Grazie alla sua struttura intrinsecamente robusta, all’elevata affidabilità e alla ridotta necessità di manutenzione, questa macchina elettrica è la forza motrice alla base di innumerevoli applicazioni: dalle pompe industriali ai sistemi di ventilazione, fino ai nastri trasportatori e alle macchine utensili.
Tuttavia, in un’epoca in cui l’ottimizzazione dei consumi e la sostenibilità sono diventate priorità assolute, non è più sufficiente conoscere semplicemente i principi base del suo funzionamento. Per progettare, gestire o manutenere un impianto in modo efficace, è fondamentale comprendere nel dettaglio cosa accade all’interno della macchina. Come si trasforma l’energia elettrica prelevata dalla rete in pura forza meccanica disponibile all’albero? E, soprattutto, quanta di questa energia viene inevitabilmente “persa” lungo il percorso?
Questo articolo si propone come una guida tecnica mirata per rispondere a queste domande. Partendo da una rapida panoramica sull’anatomia del motore e sui suoi collegamenti fondamentali per la sicurezza, ci addentreremo nel vivo del bilancio energetico.
Attraverso un’analisi visiva e schematica del flusso di potenza, mapperemo e quantificheremo ogni singola dispersione: dalle perdite nel rame e nel ferro, fino a quelle meccaniche e addizionali. L’obiettivo finale è fornire gli strumenti per comprendere a fondo il concetto di rendimento (η), una metrica cruciale non solo per valutare la qualità costruttiva del motore, ma anche per fare scelte consapevoli volte al risparmio energetico sul lungo periodo.
Principio elettromagnetico di funzionamento
Alimentando lo statore con un sistema trifase sinusoidale equilibrato, le tre correnti sfasate di 120 gradi elettrici producono un campo magnetico rotante. Questo campo ruota a una velocità detta velocità sincrona, determinata dalla frequenza di alimentazione e dal numero di poli della macchina.
Dove ns è la velocità sincrona in giri/min, f è la frequenza di alimentazione in hertz e p è il numero di poli del motore.
Esempi di velocità sincrona a 50 Hz: 2 poli -> 3000 giri/min 4 poli -> 1500 giri/min 6 poli -> 1000 giri/min 8 poli -> 750 giri/min Esempi di velocità sincrona a 60 Hz: 2 poli -> 3600 giri/min 4 poli -> 1800 giri/min 6 poli -> 1200 giri/min 8 poli -> 900 giri/min
Il rotore, immerso nel campo magnetico rotante, è attraversato da un flusso variabile. Secondo la legge dell’induzione elettromagnetica, questa variazione di flusso induce correnti nei conduttori rotorici. Le correnti indotte interagiscono con il campo magnetico statorico e generano una coppia motrice.
Quando il motore è fermo, lo scorrimento è massimo e la frequenza delle correnti rotoriche coincide con quella di alimentazione. Quando il motore accelera, la velocità relativa tra campo statorico e rotore diminuisce; di conseguenza diminuisce anche la frequenza rotorica.
Dove f2 è la frequenza delle correnti rotoriche, s è lo scorrimento e f1 è la frequenza statorica.
Esempio descrittivo: Motore alimentato a 50 Hz Scorrimento a carico nominale: 4% Frequenza rotorica risultante: 2 Hz
Collegamento stella e triangolo
Il collegamento stella-triangolo è uno degli aspetti fondamentali nell’installazione dei motori asincroni trifase. Molti motori IEC dispongono di morsettiera a sei terminali, normalmente identificati come U1, V1, W1, U2, V2 e W2. Attraverso le barrette di collegamento è possibile configurare gli avvolgimenti in stella oppure in triangolo.
Nel collegamento a stella, le estremità finali dei tre avvolgimenti vengono unite in un punto comune, detto centro stella. Le tre fasi di alimentazione sono applicate alle estremità libere degli avvolgimenti. In questa configurazione la tensione applicata a ogni singolo avvolgimento è inferiore alla tensione concatenata di linea.
Nel collegamento a triangolo, gli avvolgimenti sono collegati in serie chiusa: la fine di un avvolgimento è collegata all’inizio del successivo, formando una maglia triangolare. In questa configurazione ogni avvolgimento riceve direttamente la tensione concatenata di linea.
La corrente di linea e la corrente di fase assumono relazioni diverse nei due collegamenti. In stella, la corrente di linea coincide con la corrente che attraversa ciascun avvolgimento. In triangolo, invece, la corrente di linea è maggiore della corrente di fase.
Esempio pratico per motore 230/400 V Δ/Y: Rete trifase 400 V: - collegamento corretto: stella - ogni avvolgimento riceve circa 230 V Rete trifase 230 V: - collegamento corretto: triangolo - ogni avvolgimento riceve 230 V Esempio pratico per motore 400/690 V Δ/Y: Rete trifase 400 V: - collegamento corretto: triangolo - ogni avvolgimento riceve 400 V Rete trifase 690 V: - collegamento corretto: stella - ogni avvolgimento riceve 400 V
La lettura della targa è quindi indispensabile. Un motore indicato come 230/400 V Δ/Y non deve essere collegato a triangolo su una rete trifase da 400 V, perché ogni avvolgimento riceverebbe una tensione eccessiva. Al contrario, un motore 400/690 V Δ/Y su rete trifase da 400 V lavora normalmente in triangolo.
Avviamento stella-triangolo
L’avviamento stella-triangolo è una tecnica tradizionale per ridurre la corrente di spunto dei motori asincroni trifase. Il motore viene inizialmente avviato con gli avvolgimenti collegati a stella; dopo un tempo prestabilito, o al raggiungimento di una velocità sufficiente, il collegamento viene commutato a triangolo.
Durante la fase di avviamento a stella, ogni avvolgimento riceve una tensione ridotta rispetto al funzionamento definitivo in triangolo. Poiché la coppia sviluppata da un motore asincrono, in prima approssimazione, è proporzionale al quadrato della tensione applicata, anche la coppia di avviamento viene fortemente ridotta.
Nel passaggio da triangolo a stella, la tensione di fase viene ridotta di un fattore pari alla radice di tre. Di conseguenza, la coppia disponibile in avviamento si riduce approssimativamente a un terzo della coppia che si avrebbe con avviamento diretto in triangolo.
Anche la corrente di linea assorbita dalla rete durante l’avviamento risulta ridotta. In condizioni ideali, la corrente di linea in avviamento stella è circa un terzo di quella che si avrebbe con avviamento diretto in triangolo.
Effetti principali dell'avviamento stella-triangolo: - riduzione della corrente assorbita dalla rete - riduzione della caduta di tensione durante l'avviamento - riduzione degli urti meccanici - riduzione della coppia disponibile in partenza - transitorio elettrico e meccanico durante la commutazione
Il vantaggio principale è quindi la riduzione della corrente di spunto. Il limite principale è la riduzione della coppia. Per questo motivo l’avviamento stella-triangolo è adatto solo a carichi che non richiedono elevata coppia all’avvio.
Applicazioni generalmente adatte: - pompe centrifughe avviate a basso carico - ventilatori con bassa coppia iniziale - macchine con inerzia moderata - carichi che non richiedono piena coppia da fermo Applicazioni generalmente non adatte: - nastri trasportatori già caricati - compressori volumetrici sotto pressione - sollevamenti - frantoi - miscelatori ad alta viscosità - macchine con elevata coppia resistente iniziale
Sequenza elettrica dell’avviamento stella-triangolo
Un avviamento stella-triangolo classico utilizza tre contattori: contattore di linea, contattore di stella e contattore di triangolo. Il contattore di linea collega il motore alla rete. Il contattore di stella chiude il centro stella durante la fase di avvio. Il contattore di triangolo realizza il collegamento definitivo per il funzionamento a regime.
Componenti principali di un avviatore stella-triangolo: - contattore di linea - contattore di stella - contattore di triangolo - temporizzatore di commutazione - relè termico o salvamotore - interblocchi elettrici - interblocchi meccanici tra contattore stella e triangolo - pulsanti di marcia e arresto - eventuali spie di segnalazione
Gli interblocchi sono indispensabili: il contattore di stella e quello di triangolo non devono mai chiudersi contemporaneamente. Una chiusura simultanea produrrebbe un cortocircuito tra fasi.
La commutazione può essere di tipo aperto o chiuso. Nella commutazione aperta, il motore viene scollegato per un breve istante tra la fase a stella e quella a triangolo. È la soluzione più comune, ma può generare un transitorio di corrente e una sollecitazione meccanica. Nella commutazione chiusa si usano resistenze o accorgimenti specifici per ridurre il transitorio, ma lo schema diventa più complesso e costoso.
Tipi di commutazione: Commutazione aperta: - più semplice - più economica - breve interruzione durante il passaggio - possibile picco di corrente alla richiusura in triangolo Commutazione chiusa: - più complessa - più costosa - riduce il transitorio di commutazione - usata in applicazioni più critiche
Tempo di commutazione nello stella-triangolo
Il tempo di permanenza in stella deve essere scelto con attenzione. Se la commutazione avviene troppo presto, il motore non ha ancora raggiunto una velocità sufficiente e il passaggio a triangolo può generare un picco di corrente elevato. Se la commutazione avviene troppo tardi, il motore resta inutilmente in una condizione di coppia ridotta e può non accelerare correttamente il carico.
In pratica, la commutazione dovrebbe avvenire quando il motore ha raggiunto una velocità prossima a quella nominale, compatibilmente con il carico. Non esiste un tempo valido per tutte le applicazioni: il valore deve essere regolato in base all’inerzia, alla coppia resistente e alla risposta reale del sistema.
Indicazioni pratiche sul tempo di commutazione: - carichi leggeri: tempi brevi - carichi con inerzia elevata: tempi più lunghi - pompe e ventilatori: regolazione da verificare in campo - nastri e macchine caricate: spesso soluzione non adatta - commutazione rumorosa o brusca: tempo da rivedere - picco elevato al passaggio in triangolo: commutazione probabilmente anticipata o carico inadatto
Limiti tecnici dell’avviamento stella-triangolo
Lo stella-triangolo non è un sistema di regolazione della velocità. È solo un metodo di avviamento a tensione ridotta. Dopo la commutazione in triangolo, il motore lavora come un normale motore collegato direttamente alla rete.
Inoltre, lo stella-triangolo è utilizzabile solo quando il motore è progettato per funzionare a triangolo alla tensione di rete disponibile. Per esempio, su una rete trifase a 400 V, l’avviamento stella-triangolo richiede normalmente un motore con targa 400/690 V Δ/Y. Un motore 230/400 V Δ/Y su rete 400 V non può funzionare a regime in triangolo, quindi non è adatto al classico avviamento stella-triangolo su quella rete.
Condizione fondamentale per usare stella-triangolo su rete 400 V: Motore adatto: 400/690 V Δ/Y Motore non adatto: 230/400 V Δ/Y Motivo: nello stella-triangolo il funzionamento finale è in triangolo. Il triangolo deve quindi essere compatibile con la tensione di linea disponibile.
Rispetto a un inverter o a un soft starter, lo stella-triangolo offre minore flessibilità. Non permette rampe realmente progressive di coppia, non controlla la velocità, non adatta il funzionamento al carico e può produrre transitori durante la commutazione. Rimane però una soluzione semplice, economica e ancora utilizzata quando il carico è adatto e la rete richiede una riduzione della corrente di spunto.
Scorrimento
Lo scorrimento è la grandezza che esprime la differenza relativa tra velocità sincrona del campo magnetico e velocità reale del rotore. È una variabile essenziale perché determina la frequenza delle correnti rotoriche e la coppia sviluppata.
Dove s è lo scorrimento, ns è la velocità sincrona e n è la velocità reale del rotore.
Esempio descrittivo: Motore 4 poli a 50 Hz Velocità sincrona: 1500 giri/min Velocità reale: 1440 giri/min Scorrimento risultante: 4%
Circuito equivalente del motore asincrono
Il motore asincrono può essere rappresentato con un circuito equivalente per fase, analogo a quello di un trasformatore con secondario in rotazione. Questo modello permette di studiare correnti, perdite, potenza convertita, coppia e comportamento all’avviamento.
Nel circuito equivalente sono presenti la resistenza statorica, la reattanza di dispersione statorica, il ramo magnetizzante, la resistenza equivalente delle perdite nel ferro, la resistenza rotorica riportata allo statore e la reattanza di dispersione rotorica riportata allo statore.
Parametri principali del circuito equivalente per fase: R1 = resistenza statorica X1 = reattanza di dispersione statorica Xm = reattanza magnetizzante Rc = resistenza equivalente delle perdite nel ferro R2' = resistenza rotorica riportata allo statore X2' = reattanza rotorica riportata allo statore s = scorrimento Interpretazione della parte rotorica: - una quota rappresenta le perdite nel rame rotorico - una quota rappresenta la potenza meccanica convertita
Perdite nel ferro
Le perdite nel ferro sono associate al comportamento del materiale magnetico sottoposto a magnetizzazione alternata. Si concentrano soprattutto nel pacco statorico, dove la frequenza magnetica è pari alla frequenza di alimentazione. Nel rotore, a regime, la frequenza magnetica è più bassa perché dipende dallo scorrimento.
Perdite per isteresi: - dipendono dalla frequenza - dipendono dal materiale magnetico - dipendono dal valore massimo dell'induzione Perdite per correnti parassite: - aumentano con la frequenza - aumentano con lo spessore dei lamierini - dipendono dalla resistività del materiale - dipendono dall'induzione magnetica Riduzione delle perdite nel ferro: - lamierini sottili - acciaio magnetico a basse perdite - isolamento tra lamierini - progetto corretto del flusso - riduzione delle armoniche
Perdite nel rame
Le perdite nel rame sono perdite per effetto Joule dovute alla resistenza degli avvolgimenti statorici e dei conduttori rotorici. Sono proporzionali al quadrato della corrente, quindi aumentano rapidamente con il carico.
Dove PCu1 rappresenta le perdite nel rame statorico, R1 la resistenza di fase statorica, I1 la corrente di fase, PCu2 le perdite nel rame rotorico e Pag la potenza trasmessa attraverso il traferro.
Poiché la resistenza del rame aumenta con la temperatura, un motore caldo presenta perdite maggiori rispetto allo stesso motore freddo a parità di corrente.
Dove: R_T = resistenza alla temperatura T R_20 = resistenza a 20 °C α = coefficiente termico del rame, circa 0,00393 1/°C T = temperatura del conduttore in °C
Perdite meccaniche, perdite addizionali e rendimento
Le perdite meccaniche comprendono attrito nei cuscinetti e ventilazione. Nei motori autoventilati aumentano con la velocità, perché la ventola assorbe potenza meccanica. Le perdite addizionali, dette anche stray losses, sono dovute a dispersioni di flusso, armoniche, distribuzione non ideale delle correnti e fenomeni locali nei materiali conduttori e magnetici.
Componenti principali del bilancio energetico: P_in = potenza elettrica assorbita P_Cu1 = perdite rame statorico P_fe = perdite nel ferro P_Cu2 = perdite rame rotorico P_mec = perdite meccaniche P_add = perdite addizionali P_out = potenza meccanica utile all'albero η = rendimento
Prova a vuoto
La prova a vuoto viene eseguita alimentando il motore alla tensione e frequenza nominali, senza carico meccanico applicato all’albero. Dopo il transitorio di avviamento, il rotore ruota quasi alla velocità sincrona e lo scorrimento assume un valore molto basso. In queste condizioni la potenza assorbita non viene trasformata in potenza utile, ma serve a coprire le perdite interne della macchina.
La potenza assorbita a vuoto è dovuta principalmente alle perdite nel ferro e alle perdite meccaniche. Rimane anche una quota di perdite nel rame statorico, dovuta alla corrente assorbita a vuoto. Questa componente è spesso ridotta rispetto alle altre, ma non sempre trascurabile, soprattutto nei motori di piccola potenza o quando la corrente a vuoto è relativamente elevata.
Dove P0 è la potenza attiva assorbita a vuoto, Pfe rappresenta le perdite nel ferro, Pmec rappresenta le perdite meccaniche per attrito e ventilazione, mentre PCu1,0 rappresenta le perdite Joule statoriche dovute alla corrente a vuoto.
I watt misurati immediatamente dopo lo spunto non devono essere assunti come perdite meccaniche. In quell’istante il motore può essere ancora in transitorio: la velocità non è perfettamente stabilizzata, la corrente può non aver raggiunto il valore a vuoto di regime e la potenza assorbita comprende ancora effetti elettromagnetici e meccanici non stazionari. Tale lettura può avere solo valore empirico, ma non consente di separare correttamente le perdite meccaniche dalle perdite nel ferro e dalle perdite nel rame.
Una prima approssimazione pratica consiste nel misurare la potenza a vuoto dopo la stabilizzazione di velocità e corrente. Se si trascura la piccola quota di perdite nel rame statorico a vuoto, si può considerare la potenza assorbita come somma delle perdite nel ferro e delle perdite meccaniche.
Una stima più accurata si ottiene sottraendo alla potenza assorbita a vuoto le perdite Joule statoriche. Per farlo occorre conoscere la resistenza di fase statorica e misurare la corrente a vuoto.
Per separare in modo più rigoroso le perdite meccaniche dalle perdite nel ferro, la prova a vuoto può essere eseguita a più valori di tensione, mantenendo costante la frequenza. A velocità quasi costante, le perdite meccaniche restano approssimativamente costanti, mentre le perdite nel ferro diminuiscono al diminuire della tensione. Estrapolando la curva della potenza a vuoto corretta verso tensione nulla, si ottiene una stima delle perdite meccaniche.
Grandezze misurate nella prova a vuoto: V0 = tensione concatenata a vuoto I0 = corrente di linea a vuoto P0 = potenza attiva assorbita a vuoto n0 = velocità a vuoto f = frequenza Livelli di approssimazione: Lettura subito dopo lo spunto: - approssimazione molto grezza - utile solo come indicazione empirica - comprende transitori elettrici e meccanici - non rappresenta le sole perdite meccaniche Misura a vuoto stabilizzato: - si misura P0 dopo stabilizzazione di velocità e corrente - si può assumere P0 circa uguale a P_fe + P_mec - si trascura P_Cu1,0 - accettabile solo se la corrente a vuoto è bassa Misura corretta dalle perdite rame: - si misura P0 a vuoto stabilizzato - si misura I0 - si conosce o si misura R1 - si calcola P_Cu1,0 - si ottiene P0' = P0 - P_Cu1,0 - P0' rappresenta P_fe + P_mec Metodo più rigoroso: - si esegue la prova a vuoto a più valori di tensione - si mantiene costante la frequenza - si sottraggono le perdite rame statoriche a vuoto - si estrapola la curva verso tensione nulla - l'intercetta fornisce una stima di P_mec Anomalie rilevabili: - corrente a vuoto eccessiva - squilibrio tra le correnti di fase - potenza assorbita superiore al previsto - vibrazioni o rumorosità anomale - surriscaldamento senza carico - cuscinetti difettosi - ventilazione ostruita - collegamento errato degli avvolgimenti
Prova a rotore bloccato
La prova a rotore bloccato viene eseguita impedendo la rotazione dell’albero e alimentando il motore con tensione ridotta, sufficiente a far circolare una corrente pari o prossima alla corrente nominale. È una prova di breve durata, perché la macchina non è ventilata correttamente e lo scorrimento è pari a uno.
In questa condizione, la tensione applicata è molto inferiore alla nominale e il flusso magnetico è ridotto; di conseguenza le perdite nel ferro sono spesso trascurabili rispetto alle perdite nel rame.
Grandezze misurate nella prova a rotore bloccato: Vcc = tensione ridotta applicata Icc = corrente di prova Pcc = potenza attiva assorbita f = frequenza di prova La prova fornisce indicazioni su: - impedenza equivalente - resistenza equivalente - reattanza di dispersione - corrente di avviamento - comportamento in condizioni simili allo spunto
Coppia, potenza e caratteristica meccanica
La coppia meccanica disponibile all’albero è legata alla potenza utile e alla velocità. In unità pratiche, la relazione tra potenza in kilowatt, velocità in giri/min e coppia in newton metro è molto usata per il dimensionamento.
Dove Tn è la coppia nominale in newton metro, Pn è la potenza nominale in kilowatt e nn è la velocità nominale in giri/min.
Esempio descrittivo: Potenza nominale: 11 kW Velocità nominale: 1460 giri/min Coppia nominale risultante: circa 72 Nm
Inverter e gestione del numero di giri
L’inverter, o variatore di frequenza, è il sistema più completo per regolare la velocità del motore asincrono. Modificando frequenza e tensione di alimentazione, consente di variare la velocità del campo rotante e quindi la velocità meccanica del rotore.
Esempio descrittivo per motore 4 poli: 50 Hz -> velocità sincrona 1500 giri/min 40 Hz -> velocità sincrona 1200 giri/min 25 Hz -> velocità sincrona 750 giri/min 10 Hz -> velocità sincrona 300 giri/min La velocità reale sarà leggermente inferiore per effetto dello scorrimento.
Nel controllo scalare V/f si mantiene approssimativamente costante il rapporto tra tensione e frequenza per mantenere il flusso magnetico vicino al valore nominale.
Campi di utilizzo e profili di carico
La scelta del motore dipende molto dal tipo di carico. Le pompe centrifughe e i ventilatori sono carichi a coppia variabile, nei quali la coppia richiesta cresce approssimativamente con il quadrato della velocità e la potenza con il cubo della velocità.
Nei nastri trasportatori, negli estrusori, nei compressori volumetrici e in molte macchine industriali, il carico è invece a coppia quasi costante. In questi casi il motore deve fornire coppia anche a bassa velocità e la verifica termica diventa più importante.
Tipi di carico: Pompe centrifughe e ventilatori: - coppia variabile - potenza fortemente dipendente dalla velocità - forte convenienza dell'inverter per regolazione di portata Nastri trasportatori: - coppia circa costante - serve coppia anche a bassa velocità Sollevamenti: - coppia elevata anche da fermo - necessario freno - importante controllo vettoriale - attenzione alla sicurezza Compressori: - coppia resistente variabile secondo tecnologia - attenzione ad avviamento e contropressione
Dimensionamento tecnico
Il dimensionamento del motore richiede l’analisi della potenza meccanica richiesta, della coppia resistente, della velocità, dell’inerzia, del numero di avviamenti, del tipo di carico, del servizio, dell’ambiente e del metodo di regolazione.
Verifiche principali: - coppia nominale - coppia di avviamento - coppia massima - corrente nominale - corrente di spunto - rendimento a carico reale - fattore di servizio - temperatura ambiente - altitudine - ventilazione - grado IP - forma costruttiva - compatibilità inverter - compatibilità con avviamento stella-triangolo
