Tipi di motori
I motori sincroni a rotore magnetizzato
Composizione:
Il motore sincrono è costituito, come il motore asincrono, da uno statore e da un rotore separati dal traferro.
Si differenzia dal motore asincrono per il fatto che il flusso nel traferro non è dovuto ad una componente della
corrente dello stastore.
È creato da magneti o dalla corrente indotta, fornita da un’alimentazione a corrente continua esterna, che alimenta un avvolgimento posizionato nel rotore.
• Lo statore
Lo statore comprende una carcassa e un circuito magnetico solitamente costituiti da lamiere di acciaio al silicio e da un avvolgimento trifase analogo a quello di un motore asincrono, alimentato in corrente alternata trifase per produrre un campo rotante.
• Il rotore
Il rotore presentadei magneti o delle bobine di eccitazione attraversati da una corrente continua che creano dei poli Nord e Sud intercalati. Il rotore, a differenza delle macchine asincrone, gira senza scorrimento alla velocità del campo rotante.
Sono quindi disponibili due tipi diversi di motori sincroni: i motori a magneti e i motori a rotore bobinato.
- Per i primi il rotore del motore è dotato di magneti permanenti solitamente in terra cruda per ottenere un campo elevato in un volume ridotto. Lo statore comprende degli avvolgimenti trifase.
Questi motori accettano correnti di sovraccarico importanti per effettuare accelerazioni molto rapide. Sono sempre associati ad un variatore di velocità; questi insiemi moto-variatori sono destinati a mercati specifici
come quelli dei robot o delle macchine utensili per i quali sono fondamentali il volume ridotto, le accelerazioni e la banda passante.
- L’altro tipo di motori sincroni sono a rotore bobinato,
L’avvolgimento del rotore è accessibile tramite anelli e pattini, ma vi sono altri dispositivi come ad esempio i diodi rotanti.
Queste macchine sono reversibili e possono funzionare come generatori (alternatori) o motori. Per molto tempo queste macchine sono state utilizzate soprattutto con funzione di alternatori. Il loro utilizzo come motore era confinato alle applicazioni che richiedevano l’azionamento dei carichi a velocità fissa, a scapito delle variazioni relativamente importanti della coppia resistente.
La capacità delle macchine sincrone di fornire potenza reattiva e lo sviluppo dei convertitori di frequenza diretti (del tipo ciclo-convertitore) o indiretti funzionanti in commutazione naturale, ha permesso di realizzare
degli azionatori elettrici a velocità variabile performanti, affidabili e particolarmente competitivi quando la potenza supera il megawatt.
Anche se è possibile trovare motori sincroni utilizzati nel settore industriale nella gamma di potenza da 150 kW a 5 MW, gli azionatori elettrici con motori sincroni si sono imposti soprattutto oltre i 5 MW, nella
maggior parte dei casi in associazione ai variatori di velocità.
Caratteristiche di funzionamento:
La coppia motore della macchina sincrona è proporzionale alla tensione alle sue estremità, mentre quella della macchina asincrona è proporzionale al quadrato di questa tensione.
Contrariamente al motore asincrono, il motore sincrono può lavorare con un fattore di potenza pari all’unità o molto vicino a questa.
Il motore sincrono, rispetto al motore asincrono, beneficia quindi di un certo numero di vantaggi particolari per quanto riguarda l’alimentazione tramite rete a tensione e frequenza costanti:
- la velocità del motore è costante, con qualsiasi carico,
- può fornire potenza reattiva e consentire il miglioramento del fattore di potenza di una linea,
- può supportare, senza sganciare, cadute di tensione relativamente importanti (dell’ordine del 50 %).
Tuttavia, il motore sincrono alimentato direttamente dalla rete di distribuzione di energia a tensione e frequenza costanti presenta due inconvenienti:
- presenta difficoltà di avviamento se il motore non è associato ad un variatore di velocità; l’avviamento deve essere effettuato a vuoto, sia in caso di avviamento diretto per i piccoli motori, sia con motore che lo aziona ad una velocità vicina al sincronismo prima dell’accoppiamento diretto sulla rete,
- potrebbe sganciarei se la coppia resistente supera la sua coppia elettromagnetica massima e, in questo caso, sarà necessario ripetere l’intero processo di avviamento.
I motori lineari
La loro struttura è identica a quella dei motori rotanti di tipo sincrono.
Sono costituiti da uno statore (piastra) e da un rotore (asta di avanzamento) sviluppati in linea. Generalmente la piastra si sposta su una guida di scorrimento lungo un’asta di avanzamento.
Questo tipo di motore non ha elementi cinematici intermedi per la trasformazione del movimento e garantisce quindi assenza di gioco e di usura meccanica.
I motori asincroni sincronizzati
Sono motori a induzione. Durante la fase di avviamento, il motore funziona in modo asincrono e quando ha raggiunto una velocità vicina al sincronismo, passa in modo sincrono.
Se il carico meccanico è elevato il motore non può girare in modo sincrono e il funzionamento torna in modo asincrono.
Questa particolarità è dovuta alla costruzione speciale del rotore generalmente per motori di bassa potenza.
I motori passo-passo
Il motore passo-passo è un motore che gira in funzione degli impulsi elettrici che alimentano gli avvolgimenti. In funzione dell’alimentazione elettrica, può essere:
- unipolare se gli avvolgimenti sono sempre alimentati nello stesso senso da un’unica tensione, da cui il nome di unipolare,
- bipolare se gli avvolgimenti sono alimentati sia in un senso che nell’altro. Creano di volta in volta un polo Nord e un polo Sud, da cui il nome di bipolare.
I motori passo-passo possono essere a riluttanza variabile, a magneti o una combinazione dei due.
L’angolo di rotazione minimo tra due modifiche degli impulsi elettrici si chiama “passo”. Un motore è caratterizzato dal numero di passi per giro (ossia per 360°).
I valori correnti sono 48, 100 o 200 passi per giro. La rotazione del motore avviene quindi in modo discontinuo.
Per migliorare la risoluzione il numero di passi può essere aumentato in modo puramente elettronico (funzionamento in micro passi). Questa soluzione viene descritta in dettaglio nel capitolo dedicato alla variazione di velocità.
Facendo variare la corrente nelle bobine, si crea un campo risultante che scorre da un passo all’altro provocando la riduzione effettiva del passo.
Alcuni circuiti per micro passi moltiplicano per 500 il numero di passi di un motore che diventerà, ad esempio, da 200 a 100000 passi.
L’elettronica consente di comandare la cronologia di questi impulsi e di conteggiarne il numero. I motori passo-passo e il loro circuito di comando consentono quindi la rotazione di un asse in modo molto preciso per
quanto riguarda velocità e ampiezza.
Il loro funzionamento è quindi simile a quello di un motore sincrono quando l’albero è in rotazione continua; questo corrisponde a dei limiti specifici di frequenza, di coppia e d’inerzia del carico azionato.
Se questi limiti vengono superati, il motore sgancia e quindi si arresta.
Un posizionamento angolare preciso è possibile senza anello di misura.
Questi motori, generalmente di potenza al di sotto del kW, sono, per i piccoli modelli, alimentati a bassa tensione. Nel settore industriale vengono utilizzati per applicazioni di posizionamento, quali la regolazione
di limitatori di posizione per taglio in lunghezza, comando valvole, dispositivi ottici o di misura, caricamento/scaricamento presse o macchine utensili, ecc...
La semplicità di questa soluzione la rende particolarmente economica (nessun anello di reazione). I motori passo-passo a magneti presentano anche il vantaggio di una coppia all’arresto in assenza di alimentazione.
Per garantire un comando efficace è tuttavia necessario che la parte elettronica conosca e acquisisca la posizione iniziale del corpo mobile.
I motori a corrente continua
I motori a corrente continua ad eccitazione separata sono ancora utilizzati per l'azionamento delle macchine a velocità variabile, nonostante la grande concorrenza dei motori asincroni associati a convertitori di frequenza.
Molto facili da miniaturizzare, si impongono nelle potenze molto basse e nelle basse tensioni. Si prestano anche molto bene, fino a potenze rilevanti (diversi megawatt), alla variazione di velocità con tecnologie
elettroniche semplici e poco onerose per prestazioni elevate (gamma di variazione correntemente utilizzata da 1 a 100).
Le loro caratteristiche consentono anche una regolazione precisa della coppia, in motore o in generatore. La loro velocità di rotazione nominale, non collegata alla frequenza della rete, si adatta facilmente a tutte le
applicazioni.
Sono tuttavia meno robusti e più costosi dei motori asincroni e richiedono una manutenzione regolare del collettore e delle spazzole.
Composizione:
Un motore a corrente continua è composto dai seguenti elementi:
- L’induttore o statore
È un elemento di circuito magnetico immobile sul quale, per produrre un campo magnetico, è bobinato un avvolgimento. L'elettromagnete così realizzato presenta tra i poli una cavità cilindrica. L’avvolgimento statorico
può essere sostituito da magneti permanenti; questo vale in generale per i motori di bassa potenza.
- L’indotto o rotore
È un cilindro in lamiere magnetiche isolate tra loro e perpendicolari all'asse del cilindro. L'indotto si muove intorno al suo asse ed è separato dall'induttore mediante un intraferro. Intorno, sono regolarmente ripartiti
alcuni conduttori.
- Il collettore e le spazzole
Il collettore è parte integrante dell'indotto, le spazzole sono fisse.
I conduttori dell'indotto sono alimentati da questo dispositivo.
Principio di funzionamento:
Quando l'induttore è alimentato crea un campo magnetico (flusso di eccitazione) nel traferro, diretto in base ai raggi dell'indotto.
Questo campo magnetico "entra" nell'indotto dal lato del polo Nord dell'induttore ed "esce" dall'indotto dal lato del polo Sud dell'induttore.
Quando l’indotto è alimentato i suoi conduttori, posizionati sotto lo stesso polo induttore (dallo stesso lato delle spazzole), vengono percorsi da correnti di senso uguale e quindi, secondo la legge di Laplace, sono sottoposti ad una forza. I conduttori posizionati sotto l’altro polo sono sottoposti ad una forza della stessa intensità e di senso opposto. Le due forze creano una coppia che fa ruotare l’indotto del motore.
Quando l’indotto del motore è alimentato a tensione continua o raddrizzata U e il rotore è in rotazione, si produce una forza contro-elettromotrice E il cui valore è E = U – RI.
RI rappresenta la caduta di tensione ohmica nell'indotto.
La forza contro-elettromotrice E è collegata alla velocità e all'eccitazione dalla relazione
E = k ωφ
ove:
- k è una costante propria del motore,
- w la velocità angolare,
- φ, il flusso.
Questo rapporto mostra che a eccitazione costante, la forza contro- elettromotrice E, proporzionale ω, è un'immagine della velocità.
La coppia è collegata al flusso induttore e alla corrente nell’indotto dalla relazione:
C = k φ I
Riducendo il flusso, la coppia diminuisce.
Due metodi consentono di far crescere la velocità:
- aumentare la forza contro-elettromotrice E, quindi la tensione d’alimentazione a eccitazione costante: si tratta del funzionamento detto “a coppia costante”,
- diminuire il flusso di eccitazione, quindi la corrente di eccitazione, mantenendo costante la tensione d’alimentazione: si tratta del funzionamento detto in regime “deflussato” o “a potenza costante”.
Questo funzionamento impone che la coppia diminuisca con l’aumento della velocità.
D’altra parte, per rapporti di deflussaggio elevati, questo funzionamento richiede motori specifici (adatti meccanicamente o elettricamente) per evitare problemi di commutazione.
Il funzionamento di un motore a corrente continua è reversibile:
- se il carico si oppone al movimento di rotazione (carico detto resistente), l’apparecchio fornisce una coppia e funziona come motore,
- se il carico è tale da far ruotare l’apparecchio (carico azionante) o si oppone al rallentamento (fase di arresto di un carico che presenta una certa inerzia), l’apparecchio fornisce energia elettrica e funziona come
generatore.
Motori asincroni trifase a gabbia
Conseguenze di una variazione di tensione
• Effetto sulla corrente di avviamento
La corrente di avviamento varia con la tensione d’alimentazione.
Se quest’ultima è più elevata durante la fase di avviamento, la corrente consumata al momento della messa sotto tensione aumenta. Questo aumento di corrente sarà aggravato dalla saturazione della macchina.
• Effetto sulla velocità
In caso di variazioni di tensione, la velocità di sincronismo non viene modificata. Su un motore in carico, tuttavia, un aumento della tensione genera una leggera diminuzione dello scorrimento. Concretamente, questa
proprietà non è utilizzabile poiché, per la saturazione del circuito magnetico dello statore, la corrente consumata aumenta notevolmente e potrebbe verificarsi un riscaldamento anormale della macchina, anche su un funzionamento a basso carico. In compenso, se la tensione di alimentazione diminuisce,lo scorrimento aumenta e, per fornire la coppia, la corrente consumata aumenta, con il rischio di riscaldamento che ne risulta.
D’altra parte, poiché la coppia massima diminuisce come il quadrato della tensione, potrebbe verificarsi uno sgancio in caso di notevole diminuzione della tensione.
Conseguenze di una variazione di frequenza
• Effetto sulla coppia
Come in tutte le macchine elettriche, la coppia del motore asincrono è data da C = K I φ
(K = coefficiente costante dipendente dalla macchina).
Nello schema equivalente del disegno , l’avvolgimento L è quello che produce il flusso e Io è la corrente di magnetizzazione. Si osserverà che lo schema
equivalente di un motore asincrono è identico a quello di un trasformatore ed entrambi gli apparecchi sono caratterizzati dalle stesse equazioni.
Come prima approssimazione, trascurando la resistenza davanti all’induttanza di magnetizzazione (ossia per frequenze di qualche Hertz) la corrente Io verrà espressa con: Io = U / 2π L f e il flusso verrà espresso con: φ = k Io
La coppia della macchine verrà quindi espressa con:
C = K k Io I. Io e I sono le correnti nominali per le quali il motore
è calibrato.
Per non superare i limiti, è necessario mantenere Io al suo valore nominale; questo è possibile soltanto se il rapporto U/f rimane costante.
Di conseguenza è possibile ottenere la coppia e le correnti nominali fino a quando la tensione d’alimentazione U potrà essere regolata in funzione della frequenza.
Quando questa regolazione non sarà più possibile, la frequenza potrà essere sempre aumentata, ma la corrente Io e la coppia utile diminuiranno, poiché non è possibile superare in modo continuativo la corrente nominale della macchina senza rischi di riscaldamento.
Per ottenere un funzionamento a coppia costante con qualunque velocità è necessario mantenere il rapporto U/f costante; questo è possibile con un convertitore di frequenza.
• Effetto sulla velocità
La velocità di rotazione di un motore asincrono è proporzionale alla frequenza della tensione di alimentazione. Questa proprietà viene spesso utilizzata per far funzionare a velocità elevata motori progettati a tale
scopo, ad esempio a 400 Hz (rettificatrici, apparecchiature mediche o chirurgiche, ecc...). È inoltre possibile ottenere una velocità variabile mediante regolazione della frequenza, ad esempio da 6 a 50 Hz (rulli
trasportatori, apparecchi di sollevamento, ecc...).
Regolazione di velocità dei motori asincroni trifase
Per lungo tempo le possibilità di regolazione della velocità dei motori asincroni sono state molto ridotte. La maggior parte delle volte i motori a gabbia venivano utilizzati alla loro velocità nominale.
Praticamente solo i motori ad accoppiamento di poli o ad avvolgimenti separati, ancora oggi frequentemente utilizzati, consentivano di disporre di più velocità fisse.
Con i convertitori di frequenza, i motori a gabbia sono oggi correntemente comandati a velocità variabile e possono essere anche utilizzati in applicazioni fino ad ora riservate ai motori a corrente continua.
Motori ad accoppiamento di poli
Come abbiamo visto in precedenza, la velocità di un motore a gabbia dipende dalla frequenza della rete di alimentazione e dal numero di coppie di poli. È quindi possibile ottenere un motore a due o più velocità
creando nello statore delle combinazioni di bobinature corrispondenti a numeri di poli diversi.
Questo tipo di motore consente solo rapporti di velocità 1 a 2 (4 e 8 poli, 6 e 12 poli, ecc.). Comprende sei morsetti.
Per una delle velocità, la rete è collegata sui tre morsetti corrispondenti.
Per la seconda, questi sono collegati tra di loro e la rete è collegata sugli altri tre morsetti.
La maggior parte delle volte l’avviamento, sia ad alta che bassa velocità, viene effettuato mediante accoppiamento alla rete senza utilizzare dispositivi particolari (avviamento diretto).
In alcuni casi, se le condizioni d'impiego lo richiedono e se il motore lo consente, il dispositivo di avviamento realizza automaticamente il passaggio a bassa velocità prima di inserire l'alta velocità o prima dell'arresto.
In base alle correnti assorbite negli accoppiamenti Bassa Velocità (-BV-) o Alta Velocità (-AV-), la protezione può essere realizzata con lo stesso relè termico per entrambe le velocità o con due relè (uno per ogni velocità).
Solitamente questi motori hanno un rendimento basso e un fattore di potenza abbastanza ridotto.
Motori con avvolgimenti statorici separati
Questo tipo di motore, che comprende due avvolgimenti statorici elettricamente indipendenti, consente di ottenere due velocità in un rapporto qualsiasi. Poichè gli avvolgimenti BV devono sopportare i limiti
meccanici ed elettrici che risultano dal funzionamento del motore in AV, le loro caratteristiche elettriche spesso ne risentono. Talvolta un motore funzionante a BV consuma una corrente più elevata che in AV.
È anche possibile realizzare motori a tre o quattro velocità procedendo all'accoppiamento dei poli su uno degli avvolgimenti dello statore o su entrambi. Questa soluzione richiede prese supplementari sulle bobinature.
Motori ad anelli
Utilizzo della resistenza rotorica
La resistenza inserita all’esterno del circuito del rotore per questo tipo di motore consente di definirne:
- la coppia di avviamento,
- e la velocità.
In effetti, il collegamento di una resistenza permanente ai morsetti del rotore di un motore ad anelli riduce la sua velocità in modo direttamente proporzionale al crescere del suo valore. Si tratta di una soluzione semplice per far variare la velocità.
Regolazione di velocità mediante scorrimento
Le resistenze del rotore o resistenze "di scorrimento" possono essere messe in cortocircuito in più sezioni per ottenere una regolazione discontinua della velocità, o l'accelerazione progressiva e l'avviamento completo del motore. Devono essere in grado di sopportare la durata del funzionamento, soprattutto quando sono previste per far variare la velocità. Per questo il loro volume è talvolta notevole e il loro costo elevato.
Questo processo, estremamente semplice, viene utilizzato sempre meno poiché presenta due importanti inconvenienti:
- durante la marcia a velocità ridotta, una gran parte dell'energia sottratta alla rete viene dissipata in pura perdita nelle resistenze.
- la velocità ottenuta, non è indipendente dal carico, ma varia con la coppia resistente applicata dalla macchina sull'albero motore..
Per una data resitenza, lo scorrimento è proporzionale alla coppia.
Così, ad esempio, la diminuzione di velocità ottenuta da una resistenza può essere del 50% a pieno carico e del 25% soltanto a mezzo carico, mentre la velocità a vuoto resta praticamente invariata.
Se un conduttore controlla permanentemente la macchina, può, modificando su richiesta il valore della resistenza, fissare la velocità in una certa zona per le coppie relativamente elevate; tuttavia per le coppie
basse è praticamente impossibile qualsiasi regolazione. In effetti, se per ottenere un punto "bassa velocità a coppia bassa", esso inserisce una resistenza molto elevata, la minima variazione della coppia resistente fa
passare la velocità da zero a circa il 100 %. La caratteristica è troppo instabile.
Per macchine a variazione particolare della coppia resistente in base alla velocità, la regolazione può risultare impossibile.
Esempio di funzionamento in scorrimento. Per un carico variabile che applica al motore una coppia resistente di 0.8 Cn, si possono ottenere velocità diverse.
A coppia uguale, la velocità diminuisce quando la resistenza rotorica aumenta.
Altri sistemi di variazione di velocità
Il variatore di tensione
Questo dispositivo viene utilizzato esclusivamente per i motori asincroni di bassa potenza e richiede un motore a gabbia resistente.
La variazione di velocità si ottiene aumentando lo scorrimento del motore consecutivo alla diminuzione di tensione.
Il variatore di tensione è molto utilizzato nei sistemi di ventilazione, nelle pompe e nei compressori, applicazioni per le quali la sua caratteristica di coppia disponibile consente un funzionamento soddisfacente. Tuttavia questa soluzione viene man mano sostituita dai convertitori di frequenza che diventano sempre più competitivi.
Altri sistemi elettromeccanici
I sistemi elettromeccanici di regolazione di velocità, ricordati qui di seguito, vengono impiegati meno frequentemente dopo la diffusione dei variatori di velocità elettronici.
• Motori in alternata a collettore (Schrage)
Si tratta di motori speciali. La variazione di velocità si ottiene facendo variare, rispetto alla linea del neutro, la posizione delle spazzole sul collettore.
• Variatori a corrente di Foucault
È costituito da una barra collegata direttamente al motore asincrono che ruota a velocità costante e da un rotore con un avvolgimento alimentato da corrente continua.
Il movimento viene trasmesso all’albero di uscita mediante accoppiamento elettromagnetico. Regolando l’eccitazione di questo movimento è possibile regolare lo scorrimento dell’intero sistema.
Un generatore tachimetrico integrato consente di controllare la velocità in modo abbastanza preciso.
Un sistema di ventilazione forzato consente di eliminare le perdite prodotte dallo scorrimento. Questo principio è stato ampiamente utilizzato negli apparecchi di sollevamento e in particolare nelle gru di cantiere.
È per costruzione un sistema robusto senza elementi soggetti ad usura;
può essere adatto a sistemi di funzionamento intermittenti e potenze fino ad un centinaio di kW.
• Gruppo Ward Leonard
Questo dispositivo, un tempo molto diffuso, è l’antenato dei variatori di velocità per motori a corrente continua. È composto da un motore e da un generatore che alimenta un motore a corrente continua.
La variazione di velocità si ottiene regolando l’eccitazione del generatore.
Una bassa corrente di controllo consente di controllare potenze di diverse centinaia di kW in tutti i quadranti coppia velocità. Questo tipo di variatore è stato utilizzato sui laminatoi e sugli ascensori delle miniere.
Questa soluzione di variazione velocità era la più performante prima dell’avvento dei semi-conduttori che l’hanno resa obsoleta.
Variatori di velocità meccanici ed idraulici
I variatori meccanici ed idraulici sono sempre utilizzati.
Per quanto riguarda i variatori meccanici, sono state immaginate diverse soluzioni (pulegge. cinghie, sfere, coni, ecc.). Questi variatori presentano lo svantaggio di richiedere una manutenzione attenta ed accurata e si
prestano difficilmente agli asservimenti. Inoltre i convertitori di frequenza fanno loro una grande concorrenza.
I variatori idraulici sono sempre molto diffusi per applicazioni particolari.