Motori trifase, motori asincroni

I nostri sistemi modulari per motori trifase offrono milioni di combinazioni di azionamento possibili, in tutto il mondo: i motori trifase soddisfano tutti i requisiti di classe energetica, incluso il livello IE4, e coprono una gamma di potenza compresa tra 0,09 kW e 225 kW. Potete scegliere il sistema di azionamento ideale attingendo a una gamma completa di freni, connettori, sistemi di ventilazione forzata, rivestimenti speciali e protezioni superficiali.

Cos'è un motore trifase?

motore trifase

Il gruppo di motori trifase include macchine elettriche il cui funzionamento è basato su un campo magnetico rotante posto nel traferro compreso tra lo statore e il rotore. La macchina più importante e comunemente utilizzata di questo gruppo è il motore trifase asincrono a induzione, nella configurazione a gabbia di scoiattolo, caratterizzato da:

  • design semplice e robusto
  • affidabilità operativa elevata
  • funzionamento a bassa manutenzione
  • basso prezzo

Nella tecnica di azionamento elettrico in genere vengono utilizzati i seguenti motori elettrici:

  • motori trifase asincroni (rotori a gabbia di scoiattolo, rotori ad anelli, motori di coppia)
  • motori asincroni monofase a corrente alternata
  • servomotori asincroni o sincroni
  • motori a corrente continua

Poiché i motori dotati di convertitori di frequenza garantiscono un controllo della velocità migliore e più semplice e richiedono una manutenzione meno frequente, i motori ad anelli a corrente continua o alternata sono sempre meno usati. Altri tipi di motori trifase asincroni hanno un'importanza marginale nella tecnica di azionamento e, pertanto, non saranno descritti in dettaglio in questa sede.

Se si combina un motore elettrico, per es. un motore trifase, con un riduttore, si ottiene un cosiddetto motoriduttore . Indipendentemente dal principio elettrico, il modo in cui il motore è montato su un riduttore è di particolare importanza in termini di costruzione meccanica del motore stesso. Per questo scopo, SEW-EURODRIVE utilizza motori adattati ad hoc.

Come funziona un motore trifase?

Struttura

Rotore

Lungo le scanalature del pacco laminato del rotore si trova una bobina, iniettata o inserita (per es. di alluminio e/o rame), cortocircuitata a entrambe le estremità per mezzo di anelli dello stesso materiale. Le barre con gli anelli di corto circuito ricordano una gabbia e da qui deriva il secondo termine comunemente usato per indicare i motori trifase, ovvero "motori a gabbia di scoiattolo".

Statore

La bobina, circondata da resina sintetica, è inserita nella scanalatura chiusa per metà del pacco laminato dello statore. Il numero e l'ampiezza delle spire varia, così da ottenere numeri di poli diversi (velocità). Insieme all'alloggiamento del motore, il pacco laminato forma lo statore.

Scudi

Gli scudi sono realizzati in acciaio, ghisa grigia o ghisa di alluminio e sigillano l'interno del motore, rispettivamente sul lato A e B. L'esecuzione costruttiva nel passaggio allo statore determina il tipo di protezione del motore.

Albero del rotore

Il pacco laminato sul lato rotore è applicato a un albero d'acciaio. Le due estremità dell'albero attraversano gli scudi, rispettivamente sul lato A e B. Sul lato A è applicata l'estremità dell'albero di uscita (che nel motoriduttore è configurato come l'estremità del pignone), mentre sul lato B sono montati la ventola con le pale per l'autoventilazione e/o i sistemi complementari, per es. i fremi meccanici e l'encoder, ecc.

Alloggiamento motore

Per potenze medio-basse, l'alloggiamento del motore può essere realizzato in ghisa di alluminio. In caso di potenze superiori tutti gli alloggiamenti vengono costruiti in ghisa grigia. All'alloggiamento è applicata una scatola terminali, in cui le estremità dello statore sono collegate a una morsettiera per il collegamento elettrico da parte dell'utente. Le alette di raffreddamento estendono la superficie dell'alloggiamento, facendo aumentare la dispersione di calore nell'ambiente.

Ventola, copriventola

La ventola montata sul lato B dell'estremità dell'albero è coperta da un copriventola, che convoglia attraverso le scanalature dell'alloggiamento il flusso d'aria prodotto durante la rotazione, indipendentemente dalla direzione di rotazione. Una lamiera di protezione opzionale impedisce che, in caso di montaggio verticale, (piccole) parti cadano nella grata del copriventola.

Cuscinetti

I cuscinetti presenti negli scudi, rispettivamente sul lato A e B, collegano meccanicamente le parti rotanti a quelle fisse. In genere vengono utilizzati cuscinetti scanalati, più di rado cuscinetti a rulli cilindrici. Le dimensioni dei cuscinetti dipendono dalle forze e dalle velocità che i singoli cuscinetti devono assorbire. Sistemi di tenuta di vario tipo garantiscono che nel cuscinetto siano mantenute le proprietà lubrificanti necessarie, impedendo la fuoriuscita di oli e/o grassi.

Principio di funzionamento

Il sistema di avvolgimento simmetrico in tre fasi dello statore è collegato a una rete di corrente trifase con tensione e frequenza idonee. In ciascuno dei tre avvolgimenti di fase scorrono correnti sinusoidali della stessa ampiezza, tra le quali c'è uno scarto temporale di 120°. Poiché tra gli avvolgimenti di fase c'è anche uno scarto spaziale di 120°, lo statore crea un campo magnetico che ruota con la frequenza della tensione applicata.

Questo campo magnetico rotante, definito in breve campo rotante, crea una tensione elettrica negli avvolgimenti o nelle barre del rotore. Poiché la bobina è cortocircuitata dall'anello, si ha un flusso di correnti di corto circuito. Oltre al campo rotante, queste correnti creano delle forze e producono una coppia al di sopra del raggio del rotore, che accelera la velocità del rotore nella direzione del campo rotante. All'aumento della velocità del rotore corrisponde la diminuzione della frequenza della tensione generata nel rotore, poiché questo riduce la differenza tra la velocità del campo rotante e la velocità del rotore.

Le tensioni indotte, che dunque risultano inferiori, provocano correnti meno intense nella gabbia del rotore e, di conseguenza, forze e coppie di minore intensità. Se il rotore raggiungesse la stessa velocità del campo di rotazione, la rotazione sarebbe sincrona e non verrebbe generata alcuna tensione; di conseguenza, il motore non potrebbe applicare alcuna coppia. Tuttavia, la coppia di carico e il momento di attrito nei cuscinetti provocano una differenza tra la velocità del rotore e del campo rotante e, pertanto, un equilibrio tra la coppia di accelerazione e la coppia di carico. Il funzionamento del motore è asincrono.

Questa differenza aumenta o diminuisce in funzione del carico del motore, ma non è mai pari a zero, poiché c'è sempre attrito, anche in caso di funzionamento a vuoto. Se la coppia di carico supera la coppia di accelerazione massima che può essere generata dal motore, il motore "cade" in uno stato operativo inammissibile che potrebbe causare dei danni termici.

Il movimento relativo tra la velocità del campo rotante e la velocità meccanica, necessario a garantire il funzionamento, viene definito scorrimento "s" ed è indicato dal valore percentuale della velocità del campo magnetico. Nei motori a potenza ridotta lo scorrimento può essere compreso tra il 10% e il 15%, mentre nei motori trifase di potenza superiore può variare tra il 2% e il 5% circa.

Prestazioni operative

Il motore trifase a gabbia di scoiattolo prende l'energia dalla rete di alimentazione elettrica e la trasforma in potenza meccanica, ovvero in velocità e coppia. Se il motore funzionasse senza perdite, la potenza meccanica di uscita Pout corrisponderebbe alla potenza elettrica assorbita in entrata Pin.

Tuttavia, anche nei motori trifase si hanno delle perdite, come avviene sempre quando si ha una conversione energetica: a causa dell'accumulo di calore in un conduttore di corrente si hanno perdite nel rame PCu e perdite a livello di barra PZ. Le perdite nel ferro PFe sono causate dal calore generato durante la rimagnetizzazione del pacco laminato con frequenza di rete. Le perdite da attrito PRb sono dovute all'attrito nei cuscinetti mentre le perdite d'aria sono riconducibili all'uso dell'aria di raffreddamento. L'efficienza della macchina è data dal rapporto tra la potenza di uscita e quella assorbita.

L'efficienza è sempre più importante

In seguito all'inasprimento delle norme, negli ultimi anni è stata prestata un'attenzione sempre maggiore all'impiego di motori ad alta efficienza energetica. A tale scopo, a livello normativo sono state definite delle classi di efficienza energetica, sulle quali i produttori basano i dati tecnici. Questo ha portato all'adozione dei provvedimenti seguenti nella costruzione dei motori elettrici, con l'intento di ridurre le elevate perdite nella macchina:

  • un maggior impiego di rame nella bobina del motore (PCu)
  • una miglior qualità del materiale della lastra (PFe)
  • l'ottimizzazione della geometria della ventola (PRb)
  • cuscinetti ottimizzati in termini energetici

Rilevando i valori di coppia e corrente rispetto alla velocità, si ottiene la curva caratteristica velocità/coppia del motore trifase. Il motore segue questa curva tutte le volte che viene acceso, fino a quando non raggiunge il punto di funzionamento stabile. Il numero di poli, la struttura costruttiva e il materiale dell'avvolgimento del rotore influenzano l'andamento delle curve caratteristiche. Conoscere queste curve è particolarmente importante in caso di azionamento con coppia resistente (per es. meccanismi di sollevamento).

Se la coppia resistente della macchina è superiore alla coppia di insellamento, la velocità del rotore di fatto viene "bloccata". Il motore non raggiunge il suo punto di funzionamento nominale, ovvero il punto di funzionamento stabile termicamente sicuro. Se la coppia resistente supera addirittura la coppia di avviamento, il motore si arresta. In caso di sovraccarico dell'azionamento (per es. di un nastro convogliatore) la velocità diminuisce con l'aumentare del carico. Se invece la coppia resistente supera la coppia di rovesciamento, il motore "si ribalta" e la velocità scende al valore di insellamento o addirittura a zero. Tutti gli scenari prevedono correnti molto elevate nel rotore e nello statore che, pertanto, si riscaldano molto rapidamente. La mancanza di dispositivi di protezione adeguati potrebbe comportare guasti termici del motore che, in pratica, "brucia".

Le classi termiche

Il calore che si forma in un conduttore di corrente dipende dalla resistenza del conduttore e dall'intensità della corrente da cui è attraversato. L'accensione e l'azionamento frequenti con coppia resistente provocano un notevole carico termico sul motore trifase. Il riscaldamento ammesso del motore dipende dalla temperatura del refrigerante che lo circonda (per es. l'aria) e dalla resistenza termica del materiale isolante dell'avvolgimento.

I motori sono suddivisi in classi termiche (in precedenza definite anche "classi di isolamento") che stabiliscono le sovratemperature massime ammesse dei motori (IEC 60034). Il motore deve essere in grado di funzionare a temperature elevate, in base alla potenza nominale della classe termica a cui appartiene, senza subire danni. Con una temperatura del refrigerante massima di 40 °C, per esempio, la sovratemperatura massima ammessa nella classe termica 180(H)³= 125 °C.

Modalità operative disponibili

  • La modalità di funzionamento più semplice prevede l'applicazione di una coppia di carico costante. Dopo un po' di tempo, il motore raggiunge il regime permanente in seguito all'applicazione di un carico costante nel punto nominale, che viene definito funzionamento continuo S1.
  • In caso di funzionamento temporaneo S2, il motore opera a carico costante per un determinato lasso di tempo (tB). In questo lasso di tempo il motore non raggiunge il regime termico permanente. Segue un periodo di inattività, che deve durare abbastanza a lungo per consentire al motore di ritornare alla temperatura del refrigerante.
  • In caso di funzionamento intermittente S3, il motore opera a carico costante per un determinato lasso di tempo (tB). In questo caso l'avviamento non deve influire sul riscaldamento del motore. A questo segue un determinato periodo di inattività (tSt). In questa modalità operativa viene indicato un fattore di funzionamento (FF), che ai sensi della norma IEC 60034-1 corrisponde idealmente al rapporto tra il tempo di funzionamento e la durata del ciclo (tempo di funzionamento + tempo di inattività) pari a 10 minuti.

Esempio: La modalità operativa S3/40% subentra se nel motore si ha un'alternanza tra 4 minuti di accensione e 6 minuti di spegnimento.

Che cos'è la frequenza di avviamento?

La frequenza di avviamento ammessa indica con quale frequenza un motore può essere acceso in un'ora senza surriscaldamento termico. La frequenza di avviamento dipende da:

  • il momento d'inerzia massima in fase di accelerazione
  • la durata dell'accelerazione
  • la temperatura ambiente
  • il fattore di funzionamento

La frequenza di avviamento ammessa di un motore può essere aumentata attraverso le misure seguenti:

  • l'aumento della classe termica
  • la scelta del motore di dimensione immediatamente superiore
  • l'installazione di una ventola separata la variazione del rapporto di riduzione e, di conseguenza, del rapporto d'inerzia

Cosa sono i motori trifase variatori di poli?

Grazie alla variazione del numero di poli, questi tipi di motori possono essere azionati con velocità diverse. Grazie all'inserimento di diverse bobine nelle scanalature dello statore o all'inversione della direzione del flusso di corrente nelle singole parti delle bobine, si ottengono diversi numeri di poli. In caso di bobine separate, la potenza di ciascun numero di poli è inferiore alla metà della potenza di un motore a una velocità delle stesse dimensioni.

I motoriduttori trifase variatori di poli vengono utilizzati come unità di propulsione. In caso di funzionamento con un basso numero di poli, la velocità di marcia è elevata. Per il posizionamento occorre passare alla bobina multipolare a bassa velocità. Durante la commutazione, a causa dell'inerzia, inizialmente il motore mantiene la velocità elevata. In questa fase il motore trifase funziona come un generatore e frena. L'energia cinetica viene trasformata in energia elettrica e nuovamente alimentata nella rete elettrica. L'elevato passo della coppia risulta svantaggioso durante la commutazione che, tuttavia, può essere ridotta grazie a misure di collegamento idonee.

I miglioramenti conseguiti nella tecnica di conversione a basso prezzo favoriscono l'impiego di motori variatori di poli a velocità singola e frequenza controllata per molteplici applicazioni.

Motori monofase

Un motore monofase è una buona soluzione per applicazioni che non necessitano di una coppia di avviamento o di spunto elevata, sono collegate a un sistema di alimentazione monofase a corrente alternata e, pertanto, utilizzano una potenza relativamente bassa (<= 2,2 kW). Esempi tipici di applicazioni di questo tipo sono ventilatori, pompe e compressori. In questo caso possono presentarsi due differenze costruttive fondamentali.

Nel primo caso il classico motore trifase asincrono viene collegato solo alla fase e al conduttore neutro. La terza fase viene prodotta tramite un passaggio di fase usando un condensatore. Poiché il condensatore può creare uno sfasamento di soli 90°, e non 120°, di norma questo tipo di motore monofase viene classificato con soli due terzi della potenza di un motore trifase comparabile.

Il secondo modo per costruire un motore monofase consiste nell'adeguamento tecnico alla bobina. Al posto della bobina trifase vengono realizzate solo due fasi, di cui una fase principale e una fase ausiliaria. Le bobine, sfalsate tra loro di soli 90° in termini di spazio, per mezzo del condensatore vengono sfalsate di 90° anche in termini di tempo, e questo dà luogo al campo rotante. I rapporti di corrente ineguali della bobina principale e di quella ausiliaria in genere consentono la produzione di soli due terzi della potenza normalmente generata da un motore trifase delle stesse dimensioni. Motori tipicamente utilizzati per il funzionamento monofase sono i motori di condensatori, i motori a poli schermati e i motori di avviamento, privi di condensatore.

Nella sua gamma, SEW-EURODRIVE propone entrambi i modelli di motori monofase: i motori DRK.. motors. Entrambe le versioni sono dotate di condensatore di marcia integrato direttamente nella scatola morsettiera, in modo da evitare interferenze. Grazie al condensatore di marcia è possibile disporre del 45%-50% circa della coppia nominale per l'avviamento.

Motori coppia

I motori coppia sono particolari versioni di motori trifase con rotori a gabbia di scoiattolo. In fase di progettazione vengono impostati in modo che il consumo di corrente sia tale da impedire eventuali danni termini irreparabili quando la velocità è pari a 0. Questa configurazione è utile, per esempio, per aperture di porte, manovre di scambio o stampi per compressione, quando viene raggiunta una posizione che deve essere mantenuta in sicurezza da un motore elettrico.

Un'altra modalità di funzionamento comune è il cosiddetto funzionamento frenante controcorrente: un carico esterno è in grado di far ruotare il rotore nella direzione opposta a quella del campo rotante. Il campo rotante riduce la velocità e trae nuova energia dal sistema, che viene alimentata nella rete, di fatto come avviene in un freno rotante ma senza alcuna azione frenante meccanica.

Con il DRM.. SEW-EURODRIVE offre motori coppia a 12 poli sviluppati appositamente per un uso prolungato con misurazione della coppia da fermo. I motori coppia di SEW-EURODRIVE sono adatti a una serie di requisiti e velocità diversi e sono disponibili con tre diverse coppie frenanti, a seconda del tipo di funzionamento.

Motori trifase antideflagranti

Motori trifase antideflagranti
Motori trifase antideflagranti

Se i motori elettrici vengono usati in aree in cui sussiste un rischio di esplosione (ai sensi della direttiva UE 2014/34/EU; ATEX), occorre adottare una serie di misure preventive specifiche.

SEW-EURODRIVE propone una serie di modelli diversi, adatti ad aree e utilizzi specifici.

Motori ibridi: "asincroni" e "sincroni" allo stesso tempo

Per applicazioni azionate direttamente dalla rete di alimentazione, che necessitano di una velocità sincrona, SEW-EURODRIVE offre i cosiddetti motori LSPM, ovvero Line Start Permanent Magnet: si tratta di motori asincroni trifase che includono un magnete permanente addizionale. Dopo la fase asincrona, il motore si sincronizza alla frequenza di alimentazione e passa alla modalità sincrona, grazie a una tecnologia che offre nuove soluzioni di azionamento flessibili.

Questi motori ibridi compatti non presentano perdite del rotore di alcun tipo e si contraddistinguono per l'elevato grado di efficacia. I motori DR..J con tecnologia LSPM hanno dimensioni due volte inferiori a quelle dei motori di serie della stessa classe di rendimento.

Foto SEW

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