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 M o d u l o  5

Macchina asincrona

Il motore asincrono trifase

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    Si esamina ora, a livello di comprensione generale del funzionamento della macchina, il diagramma circolare completo delle correnti, in tutto il campo di funzionamento, da s=-∞ a s=+∞ (fig. 1).

    Per semplicità ci si riferisce al diagramma non corretto e si confonde la condizione di vuoto reale con quella di scorrimento nullo (vuoto ideale).

    Si esaminano i seguenti punti e zone di funzionamento.

    A) Vuoto ideale con s=0. Il segmento AF, nella scala delle potenze, corrisponde alle perdite nel ferro di statore e a quelle nel rame statorico, dovute alla I_o (segmento OA). Le perdite meccaniche sono compensate, ad esempio, dal motore primo che sta trascinando il rotore alla velocità di sincronismo. La perdita AF è ritenuta costante per tutti i punti di funzionamento della macchina.

    AB) La macchina funziona, come si è visto, da "Motore", con velocità iposincrona.

B) Il rotore è fermo (s=1) ed è la situazione esistente all’avviamento del motore. La corrente assorbita I_cc è elevata (segmento OB).

In questa posizione la macchina può essere utilizzata, con idonei accorgimenti costruttivi, come sfasatore, oppure come regolatore di tensione, ma sono applicazioni ormai quasi abbandonate.

    BC) Il rotore gira in senso contrario a quello del campo rotante. Ciò può manifestarsi:

- ricorrendo a un motore esterno, d’adeguata potenza, che imponga il senso di rotazione contrario a quello naturale, del campo magnetico;

- scambiando due fili della linea d’alimentazione del motore che, si suppone, stia funzionando come motore a vuoto (con n₂≈n₁). In tal caso, invertendo il campo rotante mentre per inerzia il motore mantiene ancora il primitivo senso di rotazione, si ottiene, ipotizzando il rotore alla velocità n₂=n₁:

Questa è la condizione di funzionamento da Freno.

    Sempre prendendo in esame la condizione citata ora, di scorrimento s=2, si osserva che la corrente assorbita è molto alta ed è data dal vettore che parte dal punto O e arriva in H (s=2 nell’istante di inversione del campo). Prolungando la corrispondente corrente di reazione AH si leggerebbe il valore 2 sulla scala di riferimento degli scorrimenti.

    La macchina, posta nella condizione di lavoro del punto H, ha potenza resa negativa (segmento HM) e quindi riceve potenza dall’esterno. La resistenza di carico R_u=R₂/s –R₂ è negativa.

    Il rotore riceve dunque energia dal rotore e dallo statore (la potenza assorbita è HL).

    La coppia HJ agisce nel senso del campo rotante ed è però frenante per l’albero, che ruota in senso opposto.

    La perdita nel rame rotorico è il segmento MJ ed è molto alta.

    La perdita nel rame di statore è data dal segmento JK.

    Se la velocità del rotore viene aumentata, lo scorrimento cresce e teoricamente si ha s=+∞ nel punto C.

    C) In questo punto, con s = ±∞, la resistenza totale è R₁, come si è visto considerando lo schema equivalente riportato allo statore (v. §14).

    EF) In questo ampio tratto il rotore viene trascinato in rotazione nello stesso senso del campo rotante, ma ad una velocità superiore a quella del campo rotante stesso (velocità ipersincrona). Quindi lo scorrimento è negativo e si inverte il senso del taglio delle linee di flusso, si invertono il verso della E₂(s), quello della corrente di reazione e della I₂(s).

    Anche la resistenza di carico R_u è negativa e ciò significa che la macchina genera potenza. Se si assume la tensione di alimentazione sull’asse delle ordinate, lo sfasamento tra la tensione e la corrente I₁ è superiore a 90°, a conferma che la macchina è un generatore e perciò trasferisce potenza dal rotore allo statore.

    Considerando la corrente generata I₁=OG, la corrente rotorica corrispondente ha verso opposto a quello della corrente di reazione statorica AG.

    La corrente assorbita a vuoto è sempre il segmento OA.

    La corrente I₂(s), non indicata in fig. 1), risulta in anticipo rispetto alla tensione di statore e alla E₂(s) (a causa dell’inversione del senso del campo rotante rispetto al rotore, si inverte anche il senso di successione dei ritardi di fase, ma non per lo statore).

    CE e AF)    In queste zone la corrente di statore è sfasata, rispetto alla tensione U₁, di un angolo <90° e quindi la macchina non produce ancora energia. La potenza elettrica assorbita dalla rete è positiva e inoltre la macchina riceve la potenza meccanica dal motore di trascinamento. Si ha una situazione ambigua, in cui si maschera ancora il funzionamento vero e proprio da generatore, presente invece, inequivocabilmente, quando lo sfasamento della I₁ rispetto alla U₁ è >90°.

    Il funzionamento della macchina asincrona come generatore si ha essenzialmente tra il punto F e il punto sulla circonferenza corrispondente alla corrente nominale (lo stesso valore della corrente nominale della macchina funzionante da motore). Questo punto potrebbe essere ad esempio G e la corrente nominale il vettore rappresentato dal segmento OG.

    Il segmento ZG, al di sotto della retta di riferimento delle potenze assorbite, sta a significare che la potenza elettrica è in realtà una potenza generata (la macchina produce energia in rete).

    Il segmento XG, anch’esso negativo come potenza resa, giustifica la potenza meccanica che sta fornendo il motore di trascinamento e rappresenta la potenza meccanica assorbita dal generatore asincrono.

    Il segmento NG, nella scala delle coppie, dà la coppia frenante che deve essere vinta dal motore primo.

    Il segmento VN è rappresenta le perdite a carico nel rame di statore; il segmento NX quelle nel rame di rotore. Le perdite ritenute sempre costanti e dedotte a vuoto sono conglobate in VZ.

    Il segmento OZ rappresenta

q la corrente reattiva di magnetizzazione I₁ּ senφ₁ nella scala delle correnti;

q la potenza reattiva Q nella scala delle potenze.

    Si deve osservare che la macchina non può fare a meno della corrente di magnetizzazione (nessun punto del cerchio è tagliato dalla retta di riferimento delle potenze reattive Q). Il generatore asincrono necessita infatti di una rete di alimentazione che gli fornisca l’eccitazione per poter produrre il campo magnetico rotante.

    Dunque il generatore asincrono non può funzionare autonomamente e deve essere sempre allacciato ad una rete in cui sia presente almeno un generatore sincrono, cui spetta produrre continuamente la magnetizzazione e mantenere costante la tensione di rete e la frequenza.

    Lo scorrimento relativo alla condizione di funzionamento è valutabile dal diagramma, prolungando la corrente di reazione, ad esempio GF, fino ad incontrare la retta degli scorrimenti. Il valore letto è negativo.

    La corrispondente velocità rotorica imposta dal motore primo è n₂=n₁(1-s) e risulta superiore a quella di sincronismo n₁.

    Lo sfasamento della corrente erogata non può essere controllato in funzione del carico che viene alimentato (come accade invece nell’alternatore): lo sfasamento della I_1, rispetto alla tensione di rete, dipende dalla velocità di trascinamento, come si deduce dalla posizione delle correnti sul cerchio al variare dello scorrimento.

    Il generatore asincrono è avviato come motore asincrono e poi il rotore viene trascinato nello stesso senso di rotazione del campo rotante da un motore primo, ad esempio una turbina. Aumentandone l’apertura delle luci, cresce la velocità e la turbina fa assumere alla macchina il carico. La corrente erogata, come si sa, ha l’estremo sempre sulla circonferenza, e dalla sua posizione si ricavano tutte le grandezze elettromeccaniche.

    Se la linea su cui la macchina è allacciata dovesse subire un corto circuito, si annullerebbero anche, oltre alla tensione dello statore, la corrente di magnetizzazione e la potenza generata: di per sé la macchina non teme quindi il cortocircuito in linea, poiché viene a mancare il campo magnetico rotante, mentre la rotazione è mantenuta dal motore di trascinamento.