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A motore asincrono trifase è una macchina CA che trasforma l'energia elettrica trifase in energia meccanica rotante attraverso l'induzione elettromagnetica anziché attraverso un collegamento elettrico diretto al rotore. Negli avvolgimenti dello statore viene prodotto un campo magnetico rotante e questo campo induce corrente nelle barre del rotore, che a sua volta genera coppia. La velocità del rotore segue sempre la velocità del campo rotante di un piccolo margine chiamato scorrimento, motivo per cui questa macchina è conosciuta anche come motore a induzione trifase .
Poiché non necessita di spazzole, di eccitazione del rotore esterno e di condensatori per l'avviamento, il motore asincrono trifase è diventato lo standard motore elettrico trifase per fabbriche, officine e impianti di pubblica utilità. Le gamme di prodotti tipiche spaziano da piccole unità frazionarie intorno a 0,09 kW fino a telai di grandi dimensioni intorno a 375 kW, con opzioni di avvolgimento a 2, 4, 6 e 8 poli che coprono tutto, dalle ventole ad alta velocità per carichi leggeri ai trasportatori per carichi pesanti a bassa velocità. Gli alloggiamenti sono comunemente realizzati in ghisa ad alta resistenza o lega di alluminio leggera, abbinati a un isolamento di classe F e un grado di protezione IP55 per l'esposizione a polvere e acqua leggera.
In breve, quando qualcuno cerca a Motore a induzione trifase o a motore CA trifase , descrivono quasi sempre questa stessa famiglia di macchine. Le restanti sezioni seguenti illustrano come funziona, di cosa è fatto, come leggere la sua targhetta dati e come dimensionarne uno correttamente per un determinato lavoro.
Tre gruppi di avvolgimenti separati sono posizionati a 120 gradi elettrici l'uno dall'altro all'interno dello statore. Quando la corrente trifase li attraversa in sequenza, il campo magnetico combinato non rimane fisso in un punto: ruota attorno all'interno del foro dello statore a una velocità nota come velocità sincrona. La velocità sincrona dipende solo dalla frequenza di alimentazione e dal numero di poli avvolti nello statore, seguendo la relazione Ns = 120 x f / P, dove f è la frequenza in hertz e P è il numero di poli.
Le barre del rotore si trovano all'interno di questo campo rotante ma non sono fisicamente collegate all'alimentazione. Quando il campo attraversa il rotore, induce una tensione e una corrente nelle barre del rotore e la corrente indotta produce il proprio campo magnetico. L'interazione tra il campo dello statore e il campo indotto del rotore crea una coppia che trascina il rotore, ma il rotore non riesce mai a raggiungere il campo: se ciò accadesse, non rimarrebbe alcun movimento relativo per indurre la corrente. Questo divario di velocità, tipicamente una piccola percentuale della velocità sincrona sotto carico normale, è lo scorrimento che definisce una macchina asincrona (a induzione).
A differenza di un design monofase, un motore asincrono trifase produce un vero e proprio campo rotante dal momento in cui viene applicata l'alimentazione, quindi è intrinsecamente autoavviante e non dipende da un condensatore di avviamento o da un avvolgimento ausiliario. Questo è uno dei motivi per cui un motore a induzione trifase è generalmente preferito quando le dimensioni del carico o il ciclo di lavoro crescono oltre ciò che una piccola unità monofase può gestire comodamente.
Ogni motore asincrono trifase è costruito da un piccolo insieme di parti che si ripetono per tutte le dimensioni del telaio, da un'unità compatta con alloggiamento in alluminio a un grande motore industriale trifase in ghisa. L'illustrazione seguente identifica le sezioni principali a cui si fa riferimento nelle descrizioni che seguono.
Layout strutturale semplificato di un tipico telaio di motore asincrono trifase
Lo statore è una pila di sottili lamierini di acciaio al silicio pressati in un telaio in ghisa o lega di alluminio, con bobine di avvolgimento in rame inserite nelle fessure attorno al foro interno. Il pacco di lamierini limita le perdite per correnti parassite, mentre il telaio stesso conferisce al motore la sua resistenza meccanica e la sua superficie di montaggio.
La maggior parte delle unità industriali utilizza un rotore a gabbia di scoiattolo, in cui le barre di alluminio o rame vengono fuse in un nucleo del rotore laminato e cortocircuitate su entrambe le estremità tramite anelli terminali. Questo design non prevede avvolgimenti da isolare né anelli collettori da mantenere, il che è uno dei motivi principali per cui un motore a induzione trifase è considerato semplice da mantenere in funzione per lunghi periodi.
Una ventola esterna montata sul lato non di trasmissione convoglia l'aria attraverso le alette scanalate sulla superficie del telaio, mantenendo la temperatura dell'avvolgimento entro il limite di isolamento di Classe F. Gli scudi terminali mantengono i cuscinetti in posizione e mantengono il rotore centrato all'interno del foro dello statore, mentre la scatola terminale fornisce un punto di connessione sigillato per i cavi di alimentazione in ingresso.
Il conteggio dei poli è una delle prime scelte da fare quando si confronta un motore elettrico trifase per una determinata applicazione, poiché fissa la velocità di funzionamento di base prima di aggiungere qualsiasi riduttore o azionamento. Con un'alimentazione a 50 Hz, la velocità sincrona per i conteggi del polo comune è mostrata di seguito.
Velocità sincrona per numero di poli con frequenza di alimentazione di 50 hertz
| Conteggio dei poli | Velocità sincrona | Dovere tipico |
|---|---|---|
| 2 poli | 3000 giri al minuto | Pompe, ventilatori ad alta velocità, compressori |
| 4 poli | 1500 giri al minuto | Macchine utensili generali, trasportatori |
| 6 poli | 1000 giri al minuto | Ventilatori più grandi, mixer, azionamenti a bassa velocità |
| 8 poli | 750 giri al minuto | Trasmissione per carichi pesanti e a bassa velocità |
Le etichette delle classi di efficienza descrivono la quantità di energia elettrica che un motore perde sotto forma di calore anziché convertirsi in potenza all'albero. La scala di denominazione va da IE1 a IE4, dove ogni passaggio rappresenta un'ulteriore riduzione delle perdite attraverso un migliore acciaio di laminazione, conduttori in rame più spessi e traferri più stretti. An Motore trifase IE3 si colloca nella fascia premium di questa scala, mentre an Motore trifase IE4 si trova un gradino sopra, rivolto ad applicazioni a servizio continuo in cui le ore di funzionamento sono sufficientemente elevate da far sì che minori perdite si traducano in una significativa riduzione dello spreco di energia durante la vita della macchina.
Confronto illustrativo della progressione dell'efficienza relativa tra le classi; i dati effettivi variano in base alla potenza di uscita e al numero di poli
In pratica, la classe necessaria dipende dallo schema di corsa. Un motore che funziona solo poche ore a settimana di solito non giustifica la ricerca della classe più alta disponibile, mentre un motore che funziona continuamente in una linea di ventilatori, pompe o compressori è un ottimo candidato per la banda IE3 o IE4 perché le ore accumulate amplificano anche una piccola differenza percentuale nelle perdite.
L'efficienza e il fattore di potenza per un motore a induzione trifase non sono numeri fissi; si muovono in base al carico del motore rispetto alla sua potenza nominale. La forma generale di questa relazione è coerente in tutta la famiglia di prodotti, anche se le cifre esatte cambiano con la dimensione del telaio.
Forma tipica della curva di efficienza rispetto alla percentuale di carico della potenza nominale
L'efficienza generalmente aumenta rapidamente quando il carico aumenta da un carico parziale leggero, raggiunge un ampio picco compreso tra circa il settantacinque e il cento per cento della potenza nominale, per poi diminuire leggermente in caso di sovraccarico. Questo è il motivo per cui il dimensionamento di un motore in modo che funzioni vicino al suo punto nominale, piuttosto che sottocarico profondo, tende a fornire efficienza e fattore di potenza più costanti durante un turno.
Il materiale del telaio influisce sul peso, sulla dissipazione del calore e sulla rigidità del montaggio. Sia gli alloggiamenti in ghisa che quelli in lega di alluminio rimangono comuni nel mercato dei motori industriali trifase e la scelta giusta dipende solitamente dall'equilibrio tra peso e massa termica richiesto da una determinata installazione.
| Attributo | Alloggiamento in ghisa | Alloggiamento in lega di alluminio |
|---|---|---|
| Peso relativo | Più pesante | Più leggero |
| Dissipazione del calore | Massa termica elevata | Raffreddamento superficiale più rapido |
| Gamma di fotogrammi tipica | Dimensioni del telaio medio-grandi | Dimensioni del telaio da piccole a medie |
| Impostazione comune | Servizio industriale pesante e continuo | Uso generale e attrezzature mobili |
Indipendentemente dal materiale dell'alloggiamento, il sistema di avvolgimento stesso è normalmente costruito con isolamento di Classe F, offrendo margine contro l'aumento di temperatura durante l'avviamento e il sovraccarico a breve termine, mentre un grado di protezione IP55 mantiene la polvere e i getti d'acqua diretti lontano dagli avvolgimenti interni in officina e in ambienti esterni adiacenti.
Molti acquirenti che ricercano un motore asincrono trifase lo stanno effettivamente confrontando con un'alternativa monofase per un'applicazione borderline. Il confronto radar riportato di seguito mette in fila sei attributi pratici fianco a fianco.
L'area blu rappresenta un motore asincrono trifase, l'area arancione rappresenta un motore monofase comparabile, su scala relativa illustrativa
Poiché inizia con un vero e proprio campo rotante, un motore asincrono trifase tende a fornire una coppia di avviamento più elevata per unità di dimensione del telaio, insieme a un'efficienza di funzionamento più stabile al carico nominale. Un motore monofase può comunque rappresentare una soluzione ragionevole per gli utensili domestici leggeri o per piccole officine in cui l'alimentazione trifase non è disponibile, ma una volta che il carico, il ciclo di lavoro o la richiesta di coppia aumentano, un motore CA trifase è generalmente la strada più pratica per il servizio industriale continuo.
La combinazione di un'ampia gamma di potenze, opzioni multipolari e struttura robusta è il motivo per cui un motore a induzione trifase è presente in una gamma così ampia di tipi di apparecchiature.
Nei settori manifatturiero, energetico, minerario, edile, tessile, della stampa e dei macchinari portuali, il requisito di base è sostanzialmente lo stesso: un motore industriale trifase affidabile che possa funzionare per lunghi tratti con esigenze di manutenzione prevedibili anziché frequenti arresti non pianificati.
Alcune applicazioni richiedono più di una velocità fissa da un singolo frame. Gli avvolgimenti a velocità multipla consentono di ricollegare un motore tra due o più poli, offrendo un modo approssimativo ma affidabile per cambiare velocità senza un azionamento a frequenza variabile separato.
Laddove un carico deve fermarsi e mantenere la posizione rapidamente, come su paranchi o tavole indicizzabili, un freno elettromagnetico integrato blocca l'albero nel momento in cui viene rimossa l'alimentazione, riducendo i tempi di inerzia e migliorando la precisione del posizionamento.
L'abbinamento di un motore asincrono trifase con un azionamento a frequenza variabile consente di regolare la velocità in modo uniforme su un ampio intervallo, cosa comune su ventilatori, pompe e trasportatori in cui il flusso o la produttività devono tenere traccia di una richiesta di processo in evoluzione anziché funzionare a un'unica velocità fissa.
Per l'estrazione del carbone, l'industria petrolchimica e altre installazioni in aree pericolose, le custodie antideflagranti contengono archi interni o scintille, quindi non possono accendere gas o polveri infiammabili circostanti, consentendo a un motore elettrico trifase di funzionare in sicurezza in zone in cui una custodia aperta standard non sarebbe appropriata.
L'esecuzione del seguente ordine generalmente restringe rapidamente il campo, indipendentemente dal fatto che l'obiettivo sia una piccola unità con alloggiamento in alluminio o un grande motore industriale trifase in ghisa.
Una semplice formula iniziale per la potenza trifase è P (kW) = (radice tre x V x I x fattore di potenza x efficienza) / 1000, utilizzando la tensione di linea V e la corrente di linea I. Per un carico meccanico noto, la potenza all'albero in kW può anche essere stimata dalla coppia e dalla velocità come P = (Coppia in Nm x Velocità in giri/min) / 9550, quindi arrotondata per eccesso al valore nominale del telaio standard successivo con un margine iniziale ragionevole.
Potenza e kilowatt descrivono la stessa potenza utilizzando unità diverse, correlate da circa 1 hp = 0,746 kW. Piuttosto che scegliere una cifra di potenza in modo isolato, è utile lavorare a ritroso dai dati del produttore dell'apparecchiatura azionata o dalla corrente di funzionamento misurata, poiché un motore sottodimensionato si surriscalda sotto carico normale mentre uno sovradimensionato trasporta un peso non necessario e un fattore di potenza operativa inferiore a carico parziale.
Un motore a induzione trifase è meccanicamente semplice, ma una breve routine può comunque contribuire notevolmente a mantenere prevedibili le ore di funzionamento.
Seguire un programma semplice come questo tende a prolungare notevolmente la vita utile pratica di un motore CA trifase rispetto a reagire solo dopo che si verifica un guasto.
Q1. Cos'è un motore asincrono trifaseÈ un motore CA che utilizza un campo magnetico rotante nello statore per indurre corrente nel rotore, creando coppia senza alcun collegamento elettrico diretto al rotore stesso. | Q2. Come funziona un motore a induzione trifaseLa corrente trifase negli avvolgimenti dello statore produce un campo rotante; questo campo induce corrente nelle barre del rotore e l'interazione tra i due campi fa girare l'albero. |
Q3. Qual è la differenza tra un motore asincrono e un motore a induzioneDescrivono la stessa macchina. Asincrono si riferisce alla velocità del rotore in ritardo rispetto alla velocità del campo, mentre l'induzione si riferisce al modo in cui la corrente raggiunge il rotore, attraverso l'induzione anziché una connessione diretta. | Q4. Quali sono i vantaggi di un motore a induzione trifaseSemplice costruzione a gabbia di scoiattolo, avvio automatico senza condensatore, velocità di funzionamento costante sotto carico variabile e un'ampia gamma di potenza disponibile da frazioni di kilowatt fino a centinaia di kilowatt. |
Q5. A cosa servono i motori trifase?Ventilatori, pompe, compressori, nastri trasportatori, macchine utensili e attrezzature industriali generiche nei settori manifatturiero, energetico, minerario, tessile e di movimentazione portuale. | Q6. Come scelgo un motore a induzione trifaseIniziare dal tipo di carico condotto e dalla velocità richiesta, dimensionare la potenza dell'albero con un margine iniziale, quindi abbinare il numero di poli, l'alloggiamento e il grado di protezione all'ambiente di installazione. |
D7. Come faccio a calcolare la dimensione del motore di cui ho bisognoStimare la potenza dell'albero dalla coppia di carico e dalla velocità utilizzando P pari a coppia per velocità divisa per 9550, quindi arrotondare per eccesso al valore nominale del telaio standard più vicino con un margine ragionevole. | Q8. Come scelgo la potenza del motoreLavorare in base al fabbisogno di potenza effettivo dell'apparecchiatura condotta anziché tirare ad indovinare, la conversione tra potenza e kilowatt utilizzando circa 1 CV equivale a 0,746 kW. |
D9. Quanti poli dovrebbe avere il mio motore?Scegliere il numero di poli la cui velocità sincrona si avvicina di più alla velocità di uscita desiderata, poiché ciò generalmente riduce la dimensione di qualsiasi riduttore aggiuntivo o riduzione della puleggia necessaria. | Q10. Di quale manutenzione ha bisogno un motore trifaseL'attenzione di routine al flusso d'aria di raffreddamento, alla lubrificazione dei cuscinetti, ai livelli di vibrazione e ai collegamenti della morsettiera copre la maggior parte di ciò che mantiene un'unità in funzione in modo affidabile nel tempo. |
