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Il moare di una pompa da 15 kW con alimentazione a 400 V, 50 Hz fa scattare l'interruttore a ogni avvio a freddo, anche se il valore nominale della targa corrisponde al punto di lavoro. Nella maggior parte dei casi il motore non è né sovradimensionato né sottodimensionato: la corrente di avviamento, la tensione effettiva della sbarra e la curva di protezione semplicemente non concordano più tra loro. La corrente a rotore bloccato su una macchina trifase standard in genere funziona da sei a otto volte la corrente nominale, secondo i dati a rotore bloccato IEC 60034-12, e quel picco di due secondi decide se l'installazione funziona.
La risposta breve dietro questo scenario: un motore a induzione a bassa tensione è una macchina CA a gabbia di scoiattolo costruita per tensioni di linea fino a 1.000 V e la sua idoneità è decisa da tensione, frequenza, coppia di avviamento, classe di efficienza, involucro e montaggio, non solo dai kilowatt.
Questa guida illustra cosa include effettivamente la "bassa tensione", come le classi di efficienza IE modificano il costo totale di proprietà, come i metodi di avviamento modificano la coppia, dove questi motori si guastano durante il servizio e quali controlli rientrano nelle specifiche di acquisto.
La norma IEC 60038 colloca la banda di bassa tensione fino a 1.000 V CA tra i conduttori. La pratica nordamericana traccia il limite a 600 V, motivo per cui i motori con telaio NEMA sono catalogati come a bassa tensione fino a 575 V. Tutto ciò che è al di sopra di questo valore, come 3,3 kV, 6 kV o 10 kV, è a media tensione e presenta una struttura di costi completamente diversa per quadri, cavi e terminazioni.
In pratica quasi tutti i motori industriali a bassa tensione rientrano in una manciata di potenze nominali: 380 V, 400 V o 415 V a 50 Hz e 440 V, 460 V o 480 V a 60 Hz. La norma IEC 60034-1 definisce la Zona A a ±5% di tensione e ±2% di frequenza, con la Zona B che si estende a ±10% di tensione e 3%/−5% di frequenza. Al di fuori di quelle fasce il motore gira ancora, ma coppia, riscaldamento e rendimento non corrispondono più ai dati di catalogo.
| Voltaggio nominale | Frequenza | Regioni tipiche | Nota pratica |
|---|---|---|---|
| 230 V | 50 Hz | Europa, Asia, Africa (monofase) | Piccoli motori fino a circa 2-3 kW |
| 380 V | 50 Hz | Cina, parti dell'Asia | Distribuzione legacy; I motori da 400 V solitamente lo tollerano |
| 400 V | 50 Hz | IEC Europa, Australia, gran parte dell’Africa | La classificazione di riferimento per i motori IEC a bassa tensione |
| 415 V | 50 Hz | Regno Unito, India, Stati del Golfo | Circa il 4% sopra i 400 V, ancora all'interno della Zona A IEC |
| 440 V | 60 Hz | America Latina, parti del sud-est asiatico | Spesso utilizzato come tensione di utilizzo su sistemi a 480 V |
| 460 V | 60 Hz | Nord America (NEMA) | Tensione di utilizzo standard su distribuzione 480 V |
Due errori si presentano ripetutamente dal lato dell'acquisto. Il primo è ordinare un motore da 380 V per un sito la cui tensione misurata è vicina a 415 V, che spinge il circuito magnetico verso la saturazione e aumenta la corrente. Il secondo fa funzionare un motore a 60 Hz a 50 Hz: la velocità sincrona diminuisce di circa il 17%, la ventola montata sull'albero muove meno aria e la potenza dell'albero utilizzabile di solito deve essere ridotta a meno che un'unità non mantenga un rapporto volt per hertz costante.
La norma IEC 60034-30-1 definisce le classi di efficienza da IE1 a IE4 per i motori a induzione alimentati dalla rete e la classe sulla targhetta influisce sul costo totale molto più del prezzo di acquisto. Nell'Unione Europea, il regolamento 2019/1781 ha richiesto IE3 come minimo per la maggior parte dei motori trifase da 0,75 kW a 1.000 kW da luglio 2021 e ha esteso IE4 alla fascia 75-200 kW per macchine a 2, 4 e 6 poli da luglio 2023. Regole di efficienza minima comparabili si applicano negli Stati Uniti, Canada, Cina, Brasile e Australia.
Il passo da IE3 to IE4 non è uniforme. Il divario nell'efficienza minima è più ampio con potenze ridotte, spesso due o tre punti percentuali intorno a 1 kW, e si restringe ben al di sotto di un punto su telai di grandi dimensioni. Ciò è importante perché il risparmio è proporzionale alle ore di funzionamento e al fattore di carico, non all'etichetta.
Per un motore che funziona continuamente con un fattore di carico elevato, l'energia domina il costo della sua durata; i modelli di costo del ciclo di vita utilizzati nei programmi internazionali di efficienza dei motori collocano costantemente il prezzo di acquisto a una piccola frazione del totale. La regola pratica è specificare la classe più alta giustificata dal servizio, quindi confermare che l'attrezzatura condotta può effettivamente utilizzare l'efficienza extra. Una pompa che funziona al 30% del suo punto di massima efficienza spreca molta più energia di quanta qualsiasi aggiornamento di classe IE possa recuperare.
Ciò che rompe le installazioni è la coppia, non l’efficienza. La norma IEC 60034-12 raggruppa i progetti di gabbie di scoiattolo in base alle caratteristiche del rotore bloccato: design N per servizi di avviamento normali come pompe e ventilatori e design H per una coppia a rotore bloccato più elevata con bassa corrente di avviamento, utilizzata su trasportatori, frantoi e carichi volumetrici. Una coppia di avviamento elevata si ottiene normalmente con un rotore a barra profonda o a doppia gabbia, che accetta uno scorrimento maggiore e un'efficienza a pieno carico leggermente inferiore.
L'avviamento diretto in linea è l'opzione più economica e la più impegnativa in termini di fornitura. L'avviamento stella-triangolo riduce la corrente a circa un terzo del valore DOL, ma la coppia di avviamento disponibile scende dello stesso fattore a circa un terzo, un motivo frequente per cui il motore ronza invece di accelerare un trasportatore carico. Gli avviatori statici scambiano una piccola coppia con una rampa controllata, mentre un azionamento a frequenza variabile elimina il problema dello spunto controllando insieme tensione e frequenza.
I ventilatori e le pompe centrifughe seguono le leggi di affinità: la coppia aumenta con il quadrato della velocità, quindi un azionamento su questi carichi consente di risparmiare energia rapidamente. I trasportatori, gli estrusori e le pompe volumetriche richiedono una coppia quasi costante fino a bassa velocità e necessitano di ventilazione forzata o di un motore con inverter. Un motore TEFC standard che funziona a 10 Hz su un azionamento si surriscalda, perché la ventola montata sull'albero non sposta più abbastanza aria attraverso il telaio.
Le statistiche sui guasti puntano costantemente ai cuscinetti piuttosto che all'avvolgimento. Un sondaggio sull’affidabilità dei motori IEEE ed EPRI ampiamente citato attribuisce circa il 41% dei guasti ai cuscinetti, circa il 37% agli avvolgimenti dello statore, quasi il 10% ai rotori e circa il 12% a tutto il resto, inclusi albero, telaio e terminali.
Tale distribuzione modella le pratiche di manutenzione. La durata dei cuscinetti si riduce a causa del disallineamento, della sovratensione della cinghia, del volume di grasso errato e delle correnti dell'albero sui motori alimentati da azionamenti. I guasti agli avvolgimenti sono dovuti all'ingresso di umidità, alla contaminazione, all'età dell'isolamento e allo squilibrio di tensione: NEMA MG-1 fornisce fattori di declassamento quando lo squilibrio supera l'1%, poiché anche un piccolo componente di sequenza negativa produce un aumento sproporzionato del riscaldamento del rotore.
Le scelte di custodia e isolamento rappresentano la protezione più economica disponibile. IP55 è la scelta standard per le macchine TEFC in impianti polverosi o umidi, IP65 aggiunge resistenza all'acqua diretta dai tubi flessibili e IP23 dovrebbe rimanere all'interno in aria pulita. L'isolamento di Classe F con aumento di temperatura di Classe B è una pratica comune perché lascia un margine termico per un ambiente a 40 °C e siti fino a 1.000 m di altitudine; al di sopra di tali valori l'uscita dovrà essere declassata.
La vista esplosa di seguito mostra le parti che determinano il prezzo e la durata: il telaio con alette di raffreddamento, il pacco di laminazione dello statore con il suo avvolgimento, la gabbia del rotore, l'albero, la scatola morsettiera, la ventola di raffreddamento e il cappuccio e i piedini di montaggio.
Il materiale del telaio è una decisione commerciale oltre che tecnica. La ghisa resiste alle vibrazioni e agli ambienti aggressivi negli impianti chimici ed è standard sui telai più grandi; l'alluminio dissipa bene il calore e riduce il peso, il che è importante per le pompe e le apparecchiature portatili. Le gabbie del rotore in rame compaiono principalmente nelle classificazioni IE4 e IE3 più grandi, dove la riduzione delle perdite del rotore giustifica il costo aggiuntivo.
La maggior parte degli errori di specifica emergono nella prima ora di messa in servizio piuttosto che nel primo anno. Sono questi i controlli che li impediscono.
Due rischi legati all'acquisto meritano un'attenzione specifica. Innanzitutto, un motore può soddisfare una classe di efficienza sulla carta anche se il valore nominale esatto fornito non è mai stato testato, quindi chiedi i dati di test per quell'uscita e il numero di poli. In secondo luogo, le dimensioni del telaio e dell'albero variano tra i produttori anche a parità di potenza, quindi la sostituzione dovrebbe essere specificata in base alle dimensioni e alla potenza nominale. La rettilineità dell'albero, la tolleranza della sede della chiavetta e l'eccentricità della flangia sono le solite cause di un motore che si adatta ma vibra.
I produttori che effettuano stampaggio, avvolgimento, lavorazione meccanica e test finali interni controllano direttamente tali tolleranze. Zhejiang Kuayue Motor, con sede a Taizhou, Zhejiang, costruisce motori industriali di piccole e medie dimensioni da 34 anni e produce le linee YE3 (IE3) e YE4 (IE4) insieme alle serie YBX3 antideflagrante, freno elettromagnetico YEJ2, inverter YVF2 e serie YD2 multi-velocità. I suoi motori sono prodotti secondo la norma ISO 9001 e sono dotati di certificazione CCC e CE, con spedizioni a clienti in tutta Europa, nelle Americhe, nel Sud-Est asiatico e nel Medio Oriente.
