Motori a induzione
Il tipo più semplice di motore a induzione è mostrato in sezione trasversale nella figura. Un insieme trifase di avvolgimenti statorici è inserito in fessure nel ferro dello statore. Questi avvolgimenti possono essere collegati sia in una configurazione wye, normalmente senza connessione esterna al punto neutro, o in una configurazione delta. Il rotore consiste in un nucleo di ferro cilindrico con conduttori inseriti in fessure intorno alla superficie. Nella forma più usuale, questi conduttori del rotore sono collegati insieme ad ogni estremità del rotore da un anello terminale conduttore.
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La base del funzionamento del motore a induzione può essere sviluppata assumendo innanzitutto che gli avvolgimenti dello statore siano collegati a un’alimentazione elettrica trifase e che negli avvolgimenti dello statore scorra un insieme di tre correnti sinusoidali della forma mostrata in figura. Questa figura mostra l’effetto di queste correnti nel produrre un campo magnetico attraverso il traferro della macchina per sei istanti in un ciclo. Per semplicità, viene mostrato solo il circuito centrale del conduttore per ogni avvolgimento di fase. All’istante t1 nella figura, la corrente nella fase a è massimamente positiva, mentre quella nelle fasi b e c è metà di quel valore negativo. Il risultato è un campo magnetico con una distribuzione approssimativamente sinusoidale intorno al traferro con un valore massimo verso l’esterno in alto e un valore massimo verso l’interno in basso. Al tempo t2 nella figura (cioè un sesto di ciclo dopo), la corrente nella fase c è massimamente negativa, mentre quella sia nella fase b che nella fase a è metà del valore positivo. Il risultato, come mostrato per t2 nella figura, è di nuovo un campo magnetico distribuito sinusoidalmente ma ruotato di 60° in senso antiorario. L’esame della distribuzione della corrente per t3, t4, t5 e t6 mostra che il campo magnetico continua a ruotare con il passare del tempo. Il campo completa un giro in un ciclo delle correnti dello statore. Così, l’effetto combinato di tre correnti sinusoidali uguali, uniformemente spostate nel tempo e che scorrono in tre avvolgimenti di statore uniformemente spostati in posizione angolare, è di produrre un campo magnetico rotante con una grandezza costante e una velocità angolare meccanica che dipende dalla frequenza dell’alimentazione elettrica.
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Il movimento di rotazione del campo magnetico rispetto ai conduttori del rotore provoca una tensione indotta in ciascuno, proporzionale alla grandezza e alla velocità del campo rispetto ai conduttori. Poiché i conduttori del rotore sono cortocircuitati insieme ad ogni estremità, l’effetto sarà quello di far fluire delle correnti in questi conduttori. Nel modo più semplice di funzionamento, queste correnti saranno circa uguali alla tensione indotta divisa per la resistenza del conduttore. L’andamento delle correnti del rotore per l’istante t1 della figura è mostrato in questa figura. Si vede che le correnti sono distribuite approssimativamente in modo sinusoidale intorno alla periferia del rotore e che sono situate in modo da produrre una coppia antioraria sul rotore (cioè, una coppia nella stessa direzione della rotazione del campo). Questa coppia agisce per accelerare il rotore e far ruotare il carico meccanico. Quando la velocità di rotazione del rotore aumenta, la sua velocità rispetto a quella del campo rotante diminuisce. Così, la tensione indotta si riduce, portando ad una riduzione proporzionale della corrente del conduttore del rotore e della coppia. La velocità del rotore raggiunge un valore costante quando la coppia prodotta dalle correnti del rotore è uguale alla coppia richiesta a quella velocità dal carico, senza alcuna coppia in eccesso disponibile per accelerare l’inerzia combinata del carico e del motore.
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La potenza meccanica in uscita deve essere fornita da una potenza elettrica in entrata. Le correnti di statore originali mostrate nella figura sono appena sufficienti a produrre il campo magnetico rotante. Per mantenere questo campo rotante in presenza delle correnti rotoriche della figura, è necessario che gli avvolgimenti dello statore portino una componente aggiuntiva di corrente sinusoidale di ampiezza e fase tali da annullare l’effetto del campo magnetico che altrimenti sarebbe prodotto dalle correnti rotoriche della figura. La corrente totale dello statore in ogni avvolgimento di fase è quindi la somma di una componente sinusoidale per produrre il campo magnetico e un’altra sinusoide, che precede la prima di un quarto di ciclo, o 90°, per fornire la potenza elettrica richiesta. La seconda, o potenza, componente della corrente è in fase con la tensione applicata allo statore, mentre la prima, o magnetizzazione, è in ritardo di un quarto di ciclo, o 90°, rispetto alla tensione applicata. A carico nominale, questa componente magnetizzante è di solito nell’intervallo da 0,4 a 0,6 della grandezza della componente di potenza.
La maggior parte dei motori a induzione trifase funziona con i loro avvolgimenti statorici collegati direttamente a un’alimentazione elettrica trifase a tensione e frequenza costanti. Le tensioni di alimentazione tipiche vanno da 230 volt line-to-line per motori di potenza relativamente bassa (ad esempio, da 0,5 a 50 kilowatt) a circa 15 kilovolt line-to-line per motori ad alta potenza fino a circa 10 megawatt.
Ad eccezione di una piccola caduta di tensione nella resistenza dell’avvolgimento dello statore, la tensione di alimentazione è abbinata al tasso di variazione temporale del flusso magnetico nello statore della macchina. Così, con un’alimentazione a frequenza costante e tensione costante, la grandezza del campo magnetico rotante è mantenuta costante, e la coppia è approssimativamente proporzionale alla componente di potenza della corrente di alimentazione.
Con il motore a induzione mostrato nelle figure precedenti, il campo magnetico ruota attraverso un giro per ogni ciclo della frequenza di alimentazione. Per un’alimentazione a 60 Hertz, la velocità del campo è quindi di 60 giri al secondo, o 3600 al minuto. La velocità del rotore è inferiore alla velocità del campo di una quantità che è appena sufficiente a indurre la tensione necessaria nei conduttori del rotore per produrre la corrente del rotore necessaria per la coppia di carico. A pieno carico, la velocità è tipicamente da 0,5 a 5 per cento inferiore alla velocità del campo (spesso chiamata velocità sincrona), con la percentuale più alta che si applica ai motori più piccoli. Questa differenza di velocità è spesso chiamata slittamento.
Altre velocità sincrone possono essere ottenute con un’alimentazione a frequenza costante costruendo una macchina con un numero maggiore di coppie di poli magnetici, al contrario della costruzione a due poli della figura. I possibili valori di velocità del campo magnetico in giri al minuto sono 120 f/p, dove f è la frequenza in hertz (cicli al secondo) e p è il numero di poli (che deve essere un numero pari). Un dato telaio di ferro può essere avvolto per uno qualsiasi dei diversi numeri possibili di coppie di poli utilizzando bobine che abbracciano un angolo di circa (360/p)°. La coppia disponibile dal telaio della macchina rimarrà invariata, poiché è proporzionale al prodotto del campo magnetico e della corrente ammissibile della bobina. Quindi, la potenza nominale del telaio, essendo il prodotto della coppia e della velocità, sarà approssimativamente inversamente proporzionale al numero di coppie di poli. Le velocità sincrone più comuni per i motori a 60 Hertz sono 1.800 e 1.200 giri al minuto.