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 M o d u l o  5

Macchina asincrona

Il motore asincrono trifase

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22_Metodi di avviamento

Le due condizioni critiche all’avviamento del motore asincrono sono:

   - la elevata corrente assorbita,

   - la modesta coppia naturale di spunto, che potrebbe non essere sufficiente per la partenza sotto carico (§10).

L’avviamento diretto, che si ha applicando allo statore la tensione di targa,si adotta, in generale, per motori di piccola potenza, che raggiungono dopo breve la velocità di regime. L’unica limitazione alla corrente assorbita è, in questo caso, l’impedenza equivalente interna del motore (quella che si determina dalla prova di corto circuito).

La corrente elevata assorbita dal rotore allo spunto (Tab. §11), e di conseguenza l’elevato valore della corrente richiesta dallo statore alla rete di alimentazione, 
seppur sopportabili dal motore, creano tuttavia brusche cadute di tensione, con disturbi sulla rete stessa e pertanto occorre contenerne il valore.

Per ridurre la corrente di avviamento, con frequenza di rete costante, vi sono metodi che intervengono

1. sulla diminuzione della tensione di alimentazione
    dello statore del motore,  oppure

2. che agiscono sul rotore.

In un paragrafo successivo si esaminerà anche 
l’avviamento con frequenza e/o ampiezza della tensione di rete variabili, sistema legato più specificamente alla regolazione di velocità, ma che consente di superare brillantemente anche la fase di avviamento.

 

1 - Avviamenti con variazione della tensione di alimentazione

Questo tipo di avviamento si adatta per rotori a gabbia semplice o doppia e la c.d.t. viene prodotta da reattanze ‘X’ o da resistenze poste in serie allo statore. Allo spunto si limita la corrente a 2,5 ÷ 3,5 volte quella nominale, di targa (l’avviamento alla piena tensione richiede invece una corrente circa 5 ÷ 8 volte quella nominale).

All’avviamento si chiude il teleruttore con eccitazione K1, mentre K2 è ancora diseccitato; terminata la fase di accelerazione si chiude anche K2, che esclude le 
reattanze, cortocircuitandole e consentendo al motore la piena tensione di alimentazione.

Si possono realizzare anche più esclusioni graduali di resistenze o reattanze, mediante comandi temporizzati, per potenze del motore fino a oltre 100kW.

L’impiego di reattanze abbassa notevolmente il fattore di potenza, mentre l’eventuale impiego di resistenze provocherebbe una elevata potenza persa per effetto Joule, anche se limitatamente all’avvio.

La coppia, per una riduzione "K" della tensione sul motore e della corrente assorbita, si riduce di " K² " volte.

1b) Avviamento stella-triangolo

Questo avviamento viene realizzato per motori che sono alimentati, a regime, con collegamento a triangolo. Ad esempio, un motore con dati di targa 220/380 V, se 
viene alimentato dalla linea trifase a 220V deve avere il collegamento a triangolo, da realizzare nelle condizioni normali di funzionamento. Solo in tal caso si può effettuare l’avviamento Y- Δ, che significa una partenza con avvolgimento predisposto a stella e, successivamente all’avvio, il passaggio al definitivo collegamento a triangolo.

La riduzione della corrente di spunto viene effettuata, sempre a parità della tensione di rete U_l, collegando inizialmente gli avvolgimenti a stella (commutatore C di fig. 2 in posizione Y).

In tal caso i valori di fase di ogni avvolgimento di statore (di impedenza equivalente ‘Z’), sono

Al raggiungimento di una certa velocità del motore (indicata con tratteggio nella fig. 3), si effettua la commutazione a triangolo (commutatore C sulla posizione Δ).

Ogni bobina dell’avvolgimento risulta ora alimentata alla tensione concatenata U_l  della rete trifase, cioè alla tensione 1,73 volte maggiore della precedente.

Come si può quindi facilmente verificare, avviando il motore con il collegamento a stella esso assorbe dalla linea una corrente ridotta di 1/3 rispetto a quella che 
avrebbe assorbito avviandolo subito a triangolo.

La coppia di spunto, legata praticamente al quadrato della tensione, risulta anch’essa teoricamente ridotta di 3 volte rispetto alla coppia che lo stesso motore fornirebbe, avviato a triangolo.

Il metodo trova applicazione per motori di potenza generalmente compresa fra (7÷50)kW, ma destinati a partire pressoché a vuoto.

L’istante oltre il quale conviene effettuare la commutazione a triangolo viene determinato sperimentalmente: occorrerebbe che la corrente assorbita dal motore nel momento della commutazione non superasse quella assorbita nell’istante iniziale dell’avviamento a stella. Nella fig.3, dall’istante di avvio fino a quello a cui  corrisponde la velocità indicata dalla linea verticale tratteggiata, valgono le curve relative al collegamento a stella. Da questo istante in poi, fatta la commutazione a 
triangolo, corrente e coppia seguono l’andamento delle curve relative al collegamento del normale esercizio.

Figura 3) Andamenti delle coppie e delle correnti assorbite nel collegamento a stella e nel collegamento a triangolo. I valori a stella sono ridotti di 1/3 rispetto a quelli a triangolo. La linea tratteggiata segnala l’istante a cui corrisponde la velocità per la quale converrebbe effettuare la commutazione a triangolo.

 

La riduzione della tensione di alimentazione avviene mediante un autotrasformatore a presa fissa (fig. 4), o con un più oneroso autotrasformatore a più prese, o addirittura con tensione variabile con continuità (variac).

L’autotrasformatore riduce di K volte la tensione di rete (K=1.25÷1,8, con preferenza K=U_n/U₂≈1,54).

Se si indica con I_cc la corrente che il motore assorbirebbe in linea, avviato alla piena tensione nominale U_n, la riduzione della tensione al valore U_n/K impone una analoga riduzione della corrente del motore I_cc/K; ma il primario dell’autotrasformatore richiede alla rete di alimentazione la corrente di avviamento
  I_avv=I_cc/K².

Anche la coppia di spunto, in conseguenza della riduzione di K volte della tensione applicata inizialmente al motore, risulta essere ridotta di K² volte, rispetto al valore che spetterebbe al motore avviato direttamente alla piena tensione U_n.

La successione delle manovre di avviamento è la seguente (fig. 4):

1. eccitazione di KY,

2. eccitazione del teleruttore di linea con KL,

3. diseccitazione di KY,

4. eccitazione di KD, che porta direttamente la tensione di rete al motore.

L’avviamento con autotrasformatore, il più razionale fra i metodi citati di riduzione della tensione statorica, ma il più costoso, trova applicazioni per motori a gabbia di scoiattolo, di potenza in genere compresa fra 50kW e qualche centinaio di kilowatt, e per motori a doppia gabbia di potenza ancora più elevata, purché si provveda a scegliere il ‘K’ dell’autotrasformatore in modo da garantite l’avviamento corretto sotto carico.

Si parzializza la tensione di alimentazione modificando l’angolo d’innesco dei triac o degli SCR posti in antiparallelo. Si riducono la tensione e quindi la corrente assorbita, nello stesso rapporto. La conseguente riduzione della coppia col quadrato della tensione riduce anche l’accelerazione ed aumenta quindi la durata dell’avviamento (il riscaldamento della macchina non è però indifferente, a causa del ritardato raggiungimento della velocità di regime).

La diminuzione della tensione, in conseguenza della sua parzializzazione, porta a una forma d’onda non sinusoidale, con elevato numero di armoniche. Il campo magnetico rotante risulta quindi composto da armoniche, specie di quinto e settimo ordine. La velocità dei rispettivi campi risulta 1/5 e 1/7 di quella sincrona Ω₁ e la loro ampiezza può modificare la curva della coppia nella parte iniziale, col rischio di creare una coppia risultante con insellamento, che potrebbe disturbare proprio la fase d’avviamento con condizioni di equilibrio indesiderate a bassa velocità.

Apposite induttanze in serie alla linea di alimentazione, unite alle induttanze equivalenti di ogni fase del motore, contribuiscono a filtrare le componenti armoniche. Circuiti R-C e fusibili ad intervento rapido proteggono gli interruttori elettronici dalle sovratensioni, dalle sovracorrenti e dalle brusche variazioni della corrente assorbita dal motore.

2 - Avviamenti con interventi sul rotore

2 a) Motore con rotore avvolto o ad anelli

Figura 6) Indotto ad anelli e reostato d’avviamento.

La tensione di statore viene applicata direttamente alla morsettiera del motore, dotato di un avvolgimento di rotore vero e proprio e costruito in modo che abbia un 
numero di poli identico a quello dell’avvolgimento statorico (si ricorda che il rotore a gabbia di scoiattolo acquista, per induzione, automaticamente, lo stesso numero di poli prodotto dall’avvolgimento di statore).

Gli estremi dell’avvolgimento di rotore sono saldati a tre anelli coassiali con l’albero e, mediante tre spazzole, si collega l’avvolgimento in serie ad un reostato di avviamento esterno al motore e posto nei suoi pressi, come è schematizzato in figura 6).

All’avviamento il reostato R_avv è tutto inserito (posizione 1) e poi lo si disinserisce gradualmente fino al corto circuito (pos. 5), quando si è raggiunta la velocità di 
regime (in genere si sollevano successivamente le spazzole, per limitarne l’usura, mantenendo però il corto circuito forzato fra gli anelli, in modo che la maglia rotorica non si interrompa).

La disinserzione delle resistenze del reostato può ottenersi in modo automatico, con opportuna temporizzazione.

Il metodo consente l’impiego di motori di potenza molto elevata (fino ad alcune centinaia di kilowatt).

Figura 7) Caratteristiche meccaniche al variare della resistenza totale di rotore.
            Al diminuire di R_avv si passa dalla curva T1 alla curva T5.

Nel grafico sono riportate le caratteristiche meccaniche della coppia in funzione della velocità di rotore, corrispondenti alle varie posizioni dei cursori del reostato di 
avviamento.

Poiché si è dimostrato (§10) che la coppia massima non dipende in alcun modo dalla resistenza rotorica, il valore della coppia massima è dunque lo stesso per tutte le caratteristiche.

1. Nel caso in cui il cursore del reostato d’avviamento si trovi sulla tacca "1", la resistenza R_avv è massima. Sommata alla resistenza interna R₂ di una fase di rotore, si ha la condizione per cui lo scorrimento di coppia massima vale (v. §10_rel_6):

ovvero la resistenza totale di una fase del rotore coincide con la reattanza dei flussi dispersi di rotore X₂(1).

In tal caso, dunque, la coppia è massima allo spunto.

2. Con il cursore del reostato R_avv sulle tacche successive (2-3-4), la resistenza totale di rotore diminuisce man mano, e con essa diminuisce lo scorrimento di coppia massima, mentre la corrispondente velocità aumenta, essendo

n_2M=n₁(1-s_M).

Il valore di coppia massima non si modifica, ma cresce la pendenza del tratto stabile della caratteristica, perché cresce la velocità a cui corrisponde la massima coppia. Cambiando la resistenza di rotore con il cursore del reostato esterno sulle successive posizioni, muta dunque la caratteristica di funzionamento, e il nuovo punto di equilibrio stabile si raggiunge nell’intersezione della caratteristica di funzionamento con la caratteristica della coppia resistente del carico (non rappresentata in figura).

3. Quando il cursore, al termine della fase di avviamento, viene portato sulla posizione finale 5 del reostato R_avv, la resistenza totale di rotore coincide col valore della sola fase dell’avvolgimento stesso, essendo nullo il valore di R_avv.

La caratteristica meccanica è quella che avrebbe il motore avviato con rotore in corto circuito, cioè con tutto il reostato d’avviamento escluso.

Quali sono i vantaggi di questo metodo d’avviamento?

a) La corrente di spunto viene limitata sul rotore (e quindi sulla linea di alimentazione dello statore) dalla presenza di una resistenza addizionale.

b) La coppia di avviamento cresce, rispetto alla analoga coppia che si otterrebbe con l’avviamento diretto. Si può anzi far partire il motore nella condizione di coppia massima, con resistenza totale uguale alla X₂(1), come è indicato dalla curva T1 di fig. 7. Non vi sono quindi problemi per un avviamento a pieno carico del motore, anche se non è necessario avviare con coppia massima. L’elevata differenza tra coppia motrice e coppia di carico consente però di ottenere maggiori accelerazioni.

c) La presenza di resistenza aggiuntiva sul rotore contribuisce a migliorare il fattore di potenza complessivo.

Fra gli svantaggi si citano i costi elevati per l’avvolgimento rotorico, per il reostato di avviamento e per il sistema di anelli e spazzole, la cui presenza dà luogo ad usura e ad un rendimento che si abbassa, in conseguenza della aggiuntiva perdita joule nel reostato.

Il motore con rotore avvolto consente anche la regolazione di velocità, ma il reostato deve in tal caso essere progettato per sopportare permanentemente le correnti in gioco. Come si è detto, però, questo sistema porta a una diminuzione del rendimento.

 

2 b) Motore a doppia gabbia (o di Dobrowsky-Boucherot)

Il motore ha due rotori in corto circuito:

· una gabbia esterna, costituita da conduttori di piccola sezione,

· una gabbia interna con sbarre di sezione maggiore.

In conseguenza della diversa sezione la gabbia esterna presenta dunque una resistenza più elevata (R_e>>R_i).

Quando le gabbie sono percorse dalla corrente rotorica, i flussi dispersi prodotti sono invece minori per la gabbia esterna, vicina al traferro, per cui le linee di flusso si richiudono in aria. La gabbia interna ha invece i conduttori che producono linee di flusso che interessano il ferro, e quindi di valore elevato. Di conseguenza le 
induttanze di dispersione saranno molto alte per la gabbia interna (L_i>>L_e).

La situazione relativa all’impedenza offerta dalle due gabbie si differenzia soprattutto in conseguenza del diverso valore della frequenza f₂ delle correnti 
rotoriche:

· all’avviamento: f₂= f₁ e quindi massima;

· in marcia: f₂= f₁·s e quindi, a causa dei bassi scorrimenti a carico, è molto bassa.

Le reattanze, qui dovute ai flussi dispersi, sono proporzionali sia alla frequenza, sia alla induttanza.

Distinguiamo due condizioni: all’avviamento e a regime.

All’avviamento (f₂= f₁) l’ostacolo al passaggio della corrente è molto alto per la gabbia interna, la cui impedenza è essenzialmente dovuta alla notevole reattanza di dispersione (X_i=ω₂·L_i=2π f₁ L_i);

- la gabbia esterna invece limita la corrente grazie alla elevata resistenza (è quasi come se sul rotore agisse una resistenza d’avviamento), ma è Z_e<<Z_i, per cui in questa fase, la corrente interessa essenzialmente la gabbia esterna.

A regime invece

- le reattanze di dispersione si riducono drasticamente al diminuire della frequenza di rotore (cioè al crescere della velocità).

- Le impedenze delle gabbie sono funzione quasi esclusiva della loro resistenza e quindi la gabbia esterna, con maggiore resistenza, consente al circuito rotorico interno di diventare la gabbia di lavoro.

Le due caratteristiche meccaniche, pensando di poterle rappresentare separatamente, avranno gli andamenti di fig. 8). La gabbia esterna fa sentire la propria influenza all’avviamento e la sua resistenza alta conferisce una elevata coppia di spunto (come si sa dal tipo di avviamento citato in precedenza, con rotore avvolto).

La gabbia interna ha invece uno scorrimento di coppia massima più basso [s_M=R_i/X_i(1)] e quindi presenta il massimo della coppia a un elevato numero di giri.

Sommando i due effetti si ottiene la curva effettiva di funzionamento, caratterizzata da una elevata coppia di spunto e da una buona pendenza del tratto utile, apprezzabile per le applicazioni.

Accorgimenti costruttivi migliorano le caratteristiche della coppia, sia intervenendo sulla forma della sezione dei conduttori, sia inserendo un traferro che unisce le cave che contengono le due gabbie (fig. 9).

Analogo miglioramento della caratteristica meccanica viene ottenuto costruendo una sola gabbia, ma con barre profonde : i conduttori sono percorsi da corrente
addensata verso la parte esterna della barra nella fase di avviamento, mentre la corrente interessa essenzialmente la parte interna nel funzionamento a regime. In 
fig. 9, a destra, sono rappresentate le linee del flusso disperso prodotte dalla corrente in un conduttore a barre profonde.

a)      b)

        Fig. 9    a) Caratteristiche delle coppie del motore con rotore a doppia 
                       gabbia, in funzione dello scorrimento. 
                  
                      b) conduttore a barre profonde e disposizione dei flussi dispersi.