La guida definitiva al motore a induzione trifase: Costruzione e principio di funzionamento

I motori a induzione trifase svolgono gran parte del duro lavoro nel mondo di oggi. Questi robusti motori a induzione si trovano in molti posti. Sono presenti nelle grandi macchine di fabbrica. Sono anche nelle pompe che forniscono acqua. Questo articolo è una semplice guida che vi aiuterà a comprenderli. Vi spiegheremo come è costruito e come funziona un motore a induzione trifase, con semplici passaggi. Al termine della lettura, saprete come funziona questo grande motore elettrico. Saprete anche perché viene utilizzato così tanto.

Cosa fa funzionare un motore a induzione trifase?

Il motore a induzione trifase è un tipo di motore a corrente alternata. In questo motore, la potenza viene fornita alla parte del rotore utilizzando l'induzione elettromagnetica. Questa è la stessa idea principale che utilizza un trasformatore. Per questo motivo i motori a induzione vengono talvolta chiamati "trasformatori rotanti". La cosa importante da sapere è che non c'è un filo che si collega direttamente alla parte che si muove, cioè il rotore.

Questo tipo di motore è famoso perché è costruito in modo semplice e robusto. Non ha parti chiamate spazzole, come altri motori. Per questo motivo, non ha bisogno di molte cure o riparazioni. Questi motori a induzione si avviano anche da soli. Questo è un grande vantaggio se lo si confronta con un motore a induzione monofase. Per la loro semplicità e per il fatto che si può contare su di loro, i motori a induzione trifase sono il tipo più comune di motore CA che si trova nelle fabbriche. Il compito principale di questo motore a induzione trifase è quello di trasformare l'elettricità trifase in movimento.

Quali sono le due grandi parti dei motori a induzione?

Ogni motore a induzione di fase ha due parti principali. Se si comprendono queste parti, si può iniziare a capire come funziona l'intero motore. Il motore a induzione è composto da due parti importanti:

1. Lo statore: È la parte del motore che rimane ferma. Non si muove affatto. Il suo compito è quello di creare un campo magnetico quando viene collegato a una fonte di alimentazione CA trifase. Lo statore è costituito da un telaio in acciaio che contiene bobine di filo. Questo gruppo di bobine è chiamato avvolgimento.
2. Il rotore: È la parte del motore che gira. Si trova all'interno dello statore. Il rotore ha una propria serie di barre o fili metallici. Quando il campo magnetico dello statore passa davanti alle barre del rotore, si crea una corrente al loro interno. Questa corrente genera il proprio campo magnetico. È questo che spinge il rotore e lo fa girare. Questa è la magia dei motori a induzione.

Tra lo statore e il rotore c'è uno spazio molto piccolo. Questo spazio è il traferro. Il traferro viene ridotto al minimo per favorire il funzionamento del motore. Il modo in cui queste due parti principali lavorano insieme è ciò che fa sì che tutti i motori a induzione facciano girare un albero e svolgano un lavoro.

Come si compone lo statore dei motori a induzione trifase?

Lo statore dei motori a induzione trifase è costruito con molta cura. Ha la forma di un tubo cavo ed è costituito da sottili fogli di acciaio di alta qualità. Questi sottili fogli di acciaio sono pressati insieme in una pila. L'utilizzo di lamiere sottili contribuisce a ridurre la quantità di energia che viene sprecata. All'interno dello statore sono presenti dei tagli chiamati scanalature. L'avvolgimento dello statore viene inserito in queste fessure. L'avvolgimento è costituito da un filo di rame con un rivestimento speciale che impedisce la dispersione dell'elettricità.

Questo avvolgimento non è un unico grande anello di filo. Si tratta in realtà di tre diversi gruppi di avvolgimenti. Ogni avvolgimento è destinato a una fase dell'alimentazione trifase. Gli avvolgimenti sono inseriti nelle scanalature secondo uno schema ben preciso. Sono posizionati a 120 gradi di distanza l'uno dall'altro. Quando si collega una sorgente di alimentazione CA trifase a questo avvolgimento trifase, si crea un tipo speciale di campo magnetico. Questo campo è la chiave del funzionamento di tutti i motori a induzione. Lo statore è avvolto per un numero definito di poli. Il numero di poli aiuta a regolare la velocità del motore. Il motore è costituito da questa parte molto importante.

Che cos'è un rotore a gabbia di scoiattolo e perché molti motori lo utilizzano?

Il tipo di rotore che si vede più spesso è quello a gabbia di scoiattolo. Il nome deriva dalla sua forma. Assomiglia un po' alla ruota di un piccolo animale. Questo Il rotore è costituito da un'anima di, sottili lastre di acciaio. Presenta delle scanalature sulla superficie esterna. Questo rotore non ha un avvolgimento a filo. Utilizza invece barre spesse di rame o alluminio. Queste barre vengono inserite nelle fessure del rotore.

Tutte le barre sono unite tra loro a ciascuna estremità. Sono collegate da spessi anelli metallici chiamati anelli terminali. In questo modo si crea un percorso elettrico completo. La barra di rame e gli anelli terminali hanno l'aspetto di una gabbia, da cui deriva il nome di gabbia di scoiattolo. Questo design è molto resistente e non complicato. Non ha spazzole né parti ad anello scorrevole che possono rompersi o usurarsi. Il motore a induzione a gabbia di scoiattolo ha una struttura molto robusta. Questo lo rende una macchina su cui si può contare e non è costoso da produrre. Per questo motivo, più di 9 motori a induzione su 10 utilizzano questo tipo di rotore. Il rotore di un motore a induzione trifase è quasi sempre del tipo a gabbia di scoiattolo.

Esiste un altro tipo di rotore? Parliamo del rotore avvolto.

Sì, esiste un altro tipo di rotore. Si tratta di un rotore avvolto o di un motore ad anello scorrevole. Questo tipo di rotore non è come la versione a gabbia di scoiattolo. Un rotore avvolto ha un avvolgimento trifase completo, proprio come l'avvolgimento dello statore. Non utilizza barre solide. L'avvolgimento è costituito da un filo di rame rivestito ed è inserito nelle fessure del rotore. Per questo motivo si parla di rotore avvolto in fase.

Le estremità dell'avvolgimento del rotore non sono collegate tra loro come in una gabbia di scoiattolo. Sono invece collegate a tre speciali anelli metallici che si trovano sull'albero. Questi anelli sono chiamati slip ring. Piccoli blocchi di carbonio, chiamati spazzole, premono contro questi anelli di scorrimento. In questo modo è possibile collegare parti esterne, come resistenze nel circuito del rotore. Aggiungendo una resistenza, si ottiene un maggiore controllo sul funzionamento del motore. Ad esempio, il motore ha una coppia di avviamento molto più forte rispetto a un motore a gabbia di scoiattolo. Un motore a induzione ad anello scorrevole viene utilizzato per lavori che richiedono molta potenza per essere avviati. Questo motore avvolto è più difficile da costruire e costa di più.

In che modo l'idea principale dell'induzione elettromagnetica fa funzionare questi motori a induzione?

Il principio di funzionamento di tutti i motori a induzione deriva da una regola scientifica chiamata induzione elettromagnetica. Questa regola dice che se si muove un filo (un conduttore) attraverso un campo magnetico, si produce una tensione (emf) nel filo. La stessa cosa accade se il campo magnetico è in movimento e il filo è fermo. L'importante è che uno si muova rispetto all'altro. Questo si chiama moto relativo.

In un motore a induzione trifase, l'avvolgimento dello statore genera un campo magnetico che gira intorno. Questo campo rotante passa davanti alle barre metalliche del rotore. Le barre del rotore sono tutte collegate, formando un cerchio completo per l'elettricità. L'emf indotto fa scorrere una corrente attraverso di esse. Questa corrente scorre nelle barre del rotore. Ora abbiamo un conduttore con corrente (il rotore) che si trova all'interno di un campo magnetico (dallo statore). Questo genera una forza di rotazione, o coppia, sul rotore. Questa coppia è la forza che fa girare il rotore. La potenza passa dallo statore al rotore semplicemente utilizzando l'induzione elettromagnetica dello statore.

Che cos'è un campo magnetico rotante e perché è importante?

Il campo magnetico rotante è il segreto che fa funzionare così bene i motori a induzione trifase. Quando si collega una buona fonte di alimentazione trifase all'avvolgimento dello statore, accade qualcosa di straordinario. Ciascuno dei tre avvolgimenti crea un proprio campo magnetico. Questo campo si rafforza e si indebolisce al variare della corrente alternata. Ma poiché gli avvolgimenti sono distanziati di 120 gradi l'uno dall'altro, i loro campi magnetici si sommano per creare un unico grande campo magnetico.

Questo nuovo campo magnetico combinato non rimane nello stesso punto. Gira intorno allo statore a una velocità costante. Questa velocità viene chiamata velocità sincrona. La velocità sincrona è determinata da due fattori: la velocità del ciclo della fonte di alimentazione CA (la sua frequenza) e il numero di poli dello statore. È questo campo magnetico rotante che passa attraverso i conduttori del rotore e mette in moto tutto. Se non avesse questo campo, il motore a induzione di fase non sarebbe in grado di avviarsi da solo. Il campo magnetico dello statore deve girare.

Che cos'è lo "scorrimento" quando si parla di un motore a induzione?

Il rotore di un motore a induzione gira sempre un po' più lentamente del campo magnetico rotante dello statore. La differenza di velocità tra la velocità sincrona del campo e la velocità reale del rotore è chiamata scorrimento. Di solito si parla di scorrimento in percentuale. Se il rotore potesse ruotare esattamente alla stessa velocità del campo magnetico (alla velocità sincrona), il campo non si muoverebbe davanti al rotore.

Se non c'è movimento tra di loro, il campo magnetico non taglierebbe i conduttori del rotore. Ciò significa che non si produrrebbe alcuna onda elettromagnetica e che non vi sarebbe corrente nel rotore. Se non c'è corrente, non c'è coppia. Senza coppia, il rotore rallenterebbe. Quindi, affinché il motore funzioni, il rotore deve girare più lentamente del campo magnetico. Questo è l'unico modo per ottenere la coppia. Questo è anche il motivo per cui un motore a induzione viene talvolta chiamato motore asincrono (cioè non sincronizzato). La quantità di slittamento aumenta quando si fa lavorare di più il motore. Un normale motore a induzione può avere uno scorrimento compreso tra 3% e 5% quando lavora al massimo.

Qual è il modo corretto di collegare un motore a induzione trifase?

La maggior parte dei motori a induzione trifase ha una scatola con sei punti di connessione. Questi punti sono le estremità dei tre avvolgimenti all'interno dello statore. Esistono due modi principali per collegarli: Stella (detto anche Wye) e Delta. Il modo in cui si sceglie di collegarli cambia il funzionamento del motore.

• Collegamento a stella (Y): Per questo collegamento, si unisce un'estremità di tutti e tre gli avvolgimenti in un unico punto. Quindi, si collega l'alimentazione trifase alle altre tre estremità. Spesso si usa questo collegamento per avviare il motore. In questo modo si abbassa la tensione di ciascun avvolgimento. In questo modo la corrente di avviamento è più bassa, il che può essere meglio per il sistema di alimentazione dell'edificio. Tuttavia, la coppia di avviamento è inferiore.
• Collegamento a triangolo (Δ): Per questa connessione, si collegano gli avvolgimenti da un capo all'altro. In questo modo si forma un triangolo. Quindi, si collega l'alimentazione trifase ai tre punti in cui si incontrano gli avvolgimenti. In un collegamento a triangolo, ogni avvolgimento riceve l'intera tensione dalla linea di alimentazione. In questo modo si ottiene una maggiore coppia di avviamento, ma anche una maggiore corrente di avviamento. Molti motori a induzione di grandi dimensioni utilizzano uno speciale "avviatore stella-triangolo". Questo avviatore inizia con il collegamento a stella e poi passa a quello a triangolo dopo che il motore ha raggiunto la velocità.

Ci sono degli svantaggi? Gli svantaggi dei motori a induzione trifase.

Anche se i motori a induzione trifase sono macchine eccezionali, non sono perfetti. Hanno alcuni punti deboli che è bene conoscere. Ecco i principali svantaggi dell'induzione trifase.

• Fattore di potenza negativo con un carico leggero: il fattore di potenza di un motore a induzione non è molto buono quando funziona senza molto lavoro da svolgere. Un fattore di potenza basso non è positivo per l'azienda elettrica.
• Difficoltà di controllo della velocità: non è facile modificare la velocità di un normale motore a induzione a gabbia di scoiattolo. La sua velocità è strettamente legata alla frequenza della corrente che riceve. Per un buon controllo della velocità di un motore a induzione trifase sono necessari dispositivi speciali e costosi (come un variatore di frequenza).
• Bassa potenza di avviamento (per il tipo a gabbia di scoiattolo): Se confrontato con altri tipi di motori (come i motori a corrente continua o i motori ad anello scorrevole), il normale motore a induzione a gabbia di scoiattolo non ha una coppia di avviamento molto forte. Ciò significa che non è una buona scelta per i lavori che devono essere avviati con un carico molto pesante.
• Elevata corrente di avviamento: Quando un motore a induzione di fase si avvia per la prima volta, può assorbire un'enorme quantità di elettricità. Spesso è da 5 a 7 volte superiore alla normale corrente di funzionamento. Questo può far abbassare le luci per un momento, poiché la tensione nelle linee elettriche si abbassa.

Anche con questi problemi, gli aspetti positivi dei motori a induzione, come l'affidabilità e il costo contenuto, li rendono la scelta migliore per moltissimi lavori.

Cose fondamentali da ricordare

• I motori a induzione sfruttano l'idea dell'induzione elettromagnetica. Non ci sono fili che si collegano direttamente al rotore in rotazione.
• Le due parti principali sono lo statore, che rimane fermo, e il rotore, che gira.
• Lo statore genera un campo magnetico rotante quando è collegato all'alimentazione trifase.
• Il tipo di rotore più comune è quello a gabbia di scoiattolo. È molto utilizzato perché è semplice, robusto e non costa molto.
• Il rotore avvolto, detto anche motore ad anello scorrevole, offre una coppia di avviamento molto forte e un maggiore controllo. Ma è più complicato e costa di più.
• Lo scorrimento è la differenza di velocità tra il campo dello statore e il rotore. Per ottenere la coppia è necessario lo scorrimento.
• I motori a induzione possono essere collegati a stella (Y) o a delta (Δ). Questo cambia la corrente di avviamento e la coppia.