Introduzione

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Introduzione

Le macchine asincrone, che derivano dalla scoperta del campo rotante, costituiscono di

fatto il tipo più diffuso di macchine elettriche a corrente alternata, in quanto presentano

una grande semplicità di costruzione, una eccezionale robustezza, ridottissime necessità

di manutenzione, sono caratterizzate da manovre di avviamento non troppo complicate

e sopportano notevolissimi sovraccarichi.

Le macchine asincrone vengono costruite per potenze variabili da qualche centinaio di

watt ad alcuni megawatt. Il loro utilizzo tipico è come motori; eccezionalmente,

vengono utilizzate anche come generatori, variatori di tensione e di fase, convertitori di

frequenza. Il grande inconveniente, che di fatto impedisce l'utilizzo dei motori asincroni

in tante applicazioni, è l'impossibilità di regolarne la velocità con metodologie semplici

e vantaggiose economicamente.

Il motore asincrono viene pressoché sempre costruito per essere alimentato con un

sistema trifase di tensioni.

Alla base del suo funzionamento, analogamente a tutte le altre macchine elettriche, è la

legge dell’induzione elettromagnetica, o legge di Faraday -Neumann.

Due problemi costituiscono gli oggetti fondamentali di questo lavoro: il problema

dell’avviamento e quello della regolazione di velocità per i motori asincroni.

Struttura dell’elaborato

Capitolo 1: Trattazione delle parti fondamentali che compongono la macchina

asincrona; descrizione delle loro caratteristiche e tipologie utilizzate.

Capitolo 2: Descrizione di alcune leggi fondamentali e del principio di funzionamento

del motore.

Capitolo 3: Descrizione delle varie prove di collaudo della macchina che vengono

utilizzate per determinare i parametri.

Introduzione

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Capitolo 4: Determinazione del circuito equivalente e del diagramma circolare in modo

da poter trattare in maniera meno astratti gli avviamenti e le regolazioni di velocità.

Capitolo 5: Parte principale dell’elaborato; descrizione dei vari tipi di avviamento,

pregi, difetti e utilizzi; viene trattato anche il motore monofase inquanto non essendo

auto-avviante sono stati trattati alcuni metodi per l’avviamento.

Capitolo 6: Trattazione della regolazione di velocità anche per gli aspetti che riguardano

inversione del moto e frenatura.

Struttura della macchina asincrona trifase

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1. “Struttura della macchina asincrona trifase”

Le macchine asincrone trifasi sono macchine rotanti a corrente alternata, costituite da

due parti: quella esterna fissa e quella interna mobile. La parte esterna è chiamata

statore ed è a forma di cilindro cavo, essa è composta dalla carcassa, che funge da

sostegno e centraggio, oltre che dal pacco statorico con relativo avvolgimento. La parte

interna prende il nome di rotore, il quale è un cilindro calettato sull’albero motore; le

due armature sono separate da una piccola intercapedine d’aria a spessore uniforme

chiamata traferro.

Figura 1.1. Descrizione macchina asincrona.

Il motore asincrono può essere suddiviso come segue:

Parte elettrica:

• Avvolgimento di statore;

Struttura della macchina asincrona trifase

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• Avvolgimento di rotore;

• Morsettiera;

Parte magnetica:

• Statore;

• Rotore;

Parte meccanica:

• Carcassa;

• Scudo;

• Cuscinetti;

• Albero;

• Golfare;

• Supporti di appoggio;

Figura 1.2. Sezione schematica della struttura della macchina con rotore di tipo avvolto.

Struttura della macchina asincrona trifase

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Lo statore e il rotore, come vedremo meglio in seguito, sono costruite con materiale

ferromagnetico e, come è ben visibile nella fig. 1.2, in entrambe le armature sono state

ricavate delle cave in prossimità del traferro.

Nelle cave sono alloggiati gli avvolgimenti trifase rotorico e statorico, i quali hanno un

numero di poli identico fra loro; detti avvolgimenti possono essere collegati sia a stella

sia a triangolo.

Iniziamo ora a trattare nel dettaglio i vari componenti della macchina.

1.1 Statore

Lo statore dei motori asincroni è costituito essenzialmente da una robusta carcassa atta a

contenere il pacco lamiere statorico ed il relativo avvolgimento.

Su un lato della carcassa è installata la cassetta contenente la morsettiera, che realizza il

collegamento tra l’avvolgimento e l’alimentazione; alle due estremità la carcassa è

chiusa da due scudi che fanno da supporto al rotore.

La forma dello statore e relativi elementi variano notevolmente in relazione alla potenza

del motore.

Figura 1.3. Sezione della parte fissa.

Struttura della macchina asincrona trifase

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La carcassa è costituita in lega leggera con un procedimento di pressofusione, per i

motori di potenza limitata (fino a 4 – 5 kW ); in ghisa o in acciaio saldato per motori di

grandi dimensioni. Essa deve essere dimensionata in modo da sopportare, senza subire

deformazioni, sollecitazioni od urti. La perfetta indeformabilità è richiesta in relazione

al traferro molto ridotto (0,2 – 0,25 mm) esistente tra il pacco statorico ed il rotore.

Nella parte alta della carcassa è installato un golfare dimensionato in modo tale da

consentire il sollevamento del motore completo fig. 1.3.

Nei motori a bassa potenza la carcassa è anche sede di nervature distribuite

uniformemente sulla superficie esterna, che opportunamente dimensionate sono atte a

smaltire il calore, prodotto negli avvolgimenti e nel pacco lamellare, trasmessole per

conduzione. La corrente d’aria fredda messa in moto da una ventola esterna, lambisce le

nervature asportando il calore accumulato.

Passando a macchine con potenze maggiori, considerando le elevate perdite di calore,

questo tipo di raffreddamento non è più adeguato. Il problema è stato risolto costruendo

la carcassa in forma di scambiatore di calore; in pratica la carcassa ha un’intercapedine

nella quale sono disposti in più strati i tubi che costituiscono lo scambiatore. Una

ventola calettata sull’albero dalla parte opposta dell’accoppiamento fa circolare una

corrente d’aria all’interno dei tubi.

Figura 1.4. Lamierino statorico a disco intero.

Struttura della macchina asincrona trifase

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Per quanto riguarda il pacco statorico, allo scopo di limitare le perdite nel materiale

ferromagnetico (causate dalle correnti parassite o correnti di Foucault), le armature

magnetiche sono realizzate in lamierini di spessore (0.5 - 0.65) mm, costruiti con ferro e

silicio, isolati tra loro; i piani di laminazione risultano perpendicolari all'asse della

macchina. L’isolamento è ottenuto attraverso verniciatura del lamierino con vernici

isolanti, o in alcuni casi, per macchine di piccola potenza, attraverso ricottura per

ossidazione. Per le macchine di piccola taglia con carcassa presso-fusa in lega leggera i

lamierini sono a disco intero (fig. 1.4) e portano degli intagli a coda di rondine sulla

superficie esterna, come si vede in fig. 1.5.

Figura 1.5. Statore con intagli a coda di rondine.

Una volta formato il pacco sovrapponendo perfettamente gli intagli, si vengono ad avere

delle scanalature longitudinali parallele all’asse, nelle quali sono infilati dei profilati di

ferro delle stesse dimensioni; questi profilati vengono saldati con il pacco lamiere

mantenuto in pressione sotto una pressa.

Il pacco così formato è poi introdotto in una forma nella quale s’inietta il metallo fuso in

pressione. Si realizza così uno stretto contatto fra pacco e carcassa con ottima

conducibilità termica.

Per macchine di maggiori dimensioni i lamierini non sono a disco interno, ma

assemblati a settori, questi devono portare un numero intero di cave e le giunzioni

devono essere realizzate in corrispondenza della mezzeria di un dente (fig. 1.6).

Figura 1.6. Saldatura del lamierino (rotorico).

Struttura della macchina asincrona trifase

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Inoltre i lamierini sono pressati e tenuti da una serie di tiranti esterni saldati agli anelli

pressa-pacco. Il fissaggio del pacco è eseguito tramite tiranti esterni.

Prima del serraggio finale il pacco lamiere viene riscaldato ad una temperatura di 120°

circa, tutto ciò per eliminare le eventuali tracce d’umidità tra i lamierini.

Le cave statoriche possono essere di tipo aperto o semichiuso (figura 1.7), quelle

normalmente usate sono le cave semichiuse, mentre si ricorre a quelle aperte solo per i

motori di elevata potenza ed alta tensione.

Figura 1.7. Cava statoriche semichiusa. Cava statorica aperta.

1.2 Rotore

Tipicamente, la frequenza rotorica è molto più piccola rispetto a quella statorica: a

fronte per esempio di una frequenza statorica di 50 Hz si ha una frequenza rotorica di 3

Hz; ciò comporta che le perdite per correnti parassite, proporzionali al quadrato della

frequenza, siano trascurabili, di conseguenza i lamierini che costituiscono il pacco

rotorico possano non essere isolati.

Poiché le perdite per isteresi sono trascurabili, risulta conveniente l'adozione di lamiere

normali, che meglio di quelle al silicio resistono alle vibrazioni elettromeccaniche

presenti durante il funzionamento della macchina. Finché la loro dimensione esterna lo

consente, i singoli lamierini vengono ricavati in un sol pezzo a forma di corona circolare

(fig. 1.8), mentre per diametri maggiori di 1 m essi vengono tranciati a settori e quindi

accostati in fase di montaggio.

Le cave, uniformemente distribuite sulla periferia del pacco rotorico, sono del tipo

chiuso (fig. 1.9) o semichiuso (fig. 1.10).

Struttura della macchina asincrona trifase

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Figura 1.8. Lamierino rotorico a disco intero.

Figura 1.9. Cave rotoriche chiuse. Figura 1.10. Cave rotoriche semichiuse

Il numero delle cave rotoriche deve differire da quello delle cave statoriche almeno del

10%, infatti, se il numero di cave fossero uguali potrebbero verificarsi degli

inconvenienti:

• Vibrazioni del rotore, in virtù del fatto che le attrazioni tra denti statorici e

rotorici si produrrebbero simultaneamente in tutti i denti;

• Pulsazioni periodiche del flusso, con conseguenti vibrazioni e rumore durante la

marcia del motore;

• Fenomeno dell’impuntamento, perciò, in fase di spunto, il rotore tende a

rimanere bloccato nella posizione di minima riluttanza, opponendo, quindi, una

certa resistenza al moto. Questo vale per rotori ad una gabbia di scoiattolo nei

quali la coppia di spunto è relativamente piccola.

Struttura della macchina asincrona trifase

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Per tutto questo, si tengono tra loro primi i due numeri di cave per polo e per fase

relativi al rotore ed allo statore. D’uso corrente sono per esempio 3 (o 4) cave per polo e

per fase nello statore e 4 (o 5) cave per polo e per fase nel rotore.

Al fine di agevolare l'avvitamento del motore e renderlo più silenzioso durante la

marcia, il pacco rotorico ha talvolta le cave inclinate rispetto all'asse (fig. 1.11).

Figura 1.11. Rotore a gabbia semplice con barre inclinate rispetto all’asse.

Nei rotori dei motori di piccola potenza, i lamierini vengono tranciati ed impilati

direttamente sull'albero e compressi tra due flangie di ghisa o acciaio, trattenute da due

collarini di ritegno.

Il collettore ad anelli è un dispositivo calettato sull'albero della macchina che realizza,

attraverso il contatto strisciante delle spazzole sugli anelli, il collegamento elettrico tra

l'avvolgimento rotorico ed il reostato d'avviamento nei motori con rotore avvolto. È

costituito da tre anelli, costruiti normalmente in bronzo, calettati a caldo su una bussola

d’acciaio previa interposizione di un opportuno strato d’isolante.

I motori asincroni si dividono, dal punto di vista della tipologia del rotore, in motori con

rotore in corto circuito e motori con rotore avvolto (o ad anelli):

• Rotore a gabbia semplice (fig. 1.11): In questo caso, il pacco rotorico porta sulla

periferia cave di tipo chiuso, ricavate per stampaggio; in queste vengono infilate

delle barre di rame, generalmente senza isolamento verso massa in quanto le

tensioni in gioco sono modeste (dell'ordine di qualche volt); le barre sono

riunite, mediante ribattitura o saldatura, a due anelli frontali in rame in modo da

formare una sorta di gabbia, detta "gabbia di scoiattolo". Così collegate, le barre

Struttura della macchina asincrona trifase

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vanno a formare tra loro tanti circuiti chiusi percorsi da correnti indotte dal

campo rotante statorico. Il rotore a gabbia semplice si usa per motori che

mettono in gioco potenze modeste.

• Rotore a barre alte (fig. 1.12): il rotore di questo tipo è provvisto di barre di

forma allungata sistemate in cave alte e strette. In esse si determina,

all'avviamento, uno "spostamento di corrente" entro le barre, per cui le barre

stesse presentano, ma solamente durante l'avviamento, una resistenza maggiore

alle correnti rotoriche della loro resistenza effettiva. Il rotore a barre alte si usa

per motori di media potenza.

Figura 1.12. Rotore a barre alte.

• Rotore a doppia gabbia (fig. 1.13): dato che i motori a gabbia non possono

essere equipaggiati con il reostato d’avviamento, in quanto l’avvolgimento di

rotore, essendo costituito da barre di materiale conduttore (rame o alluminio),

poste in corto circuito da due anelli frontali, non è dotato di morsetti da poter

essere collegati a circuiti esterni, per ridurre la corrente di spunto, se non vi sono

difficoltà d’avviamento, si può ricorrere all’avviamento detto “stella-triangolo”.

Questo tipo d’avviamento si può utilizzare solo nei motori previsti per

funzionare, in condizioni nominali, con le fasi di statore collegate a triangolo.

Con il suddetto sistema avremo la corrente all’avviamento (collegamento a

stella) ridotta ad 1/3 rispetto a quella che si ottiene a regime (collegamento a

triangolo), così come la coppia di spunto, che subisce la stessa riduzione; tutto

Struttura della macchina asincrona trifase

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questo può creare problemi d’avviamento in alcune applicazioni. Un sensibile

aumento della coppia di spunto si ottiene utilizzando i motori a doppia gabbia.

Una macchina a doppia gabbia ha lo statore identico a quello di un motore con

una gabbia semplice, mentre il rotore è provvisto di due gabbie coassiali, una

esterna e una interna, le cui sbarre hanno sezioni diverse: la gabbia esterna ha

sezione sensibilmente minore di quella interna.

Figura 1.13. Rotore a doppia gabbia.

La gabbia esterna è la gabbia d’avviamento, infatti, ha barre a sezione piccola e

quindi con resistenza alta, al contrario la gabbia interna (gabbia di lavoro),

avendo barre di grande sezione ha una resistenza più piccola.

Le cave delle due gabbie sono tra loro congiunte da feritoie che servono a

limitare i flussi dispersi dalle correnti che, durante il funzionamento normale del

rotore, circolano nella gabbia interna; infatti, se questa feritoia mancasse

aumenterebbe in modo eccessivo il flusso disperso (che si sviluppa attorno alle

sbarre della gabbia interna); in tutti i casi, queste fughe assorbono potenza

reattiva, ciò comporta una diminuzione del fattore di potenza del motore a

doppia gabbia. La presenza della fenditura ha inoltre lo scopo di obbligare il

flusso principale a percorrere due volte il traferro. Il rotore a doppia gabbia si

usa per le più alte potenze che vengono raggiunte dai motori asincroni a gabbia,

che arrivano normalmente fino a 100 kW.