Come controllare facilmente la velocità del motore a induzione trifase: Una semplice guida

Il motore a induzione trifase è uno strumento molto importante nelle fabbriche di oggi. È possibile trovare questo robusto motore a induzione in molti luoghi, come le officine e le aziende agricole. Ma questi motori di solito funzionano a una sola velocità, che è una velocità costante. E se fosse necessario far andare una ventola più lentamente o un nastro trasportatore più velocemente? Ecco perché il controllo della velocità è molto utile. Questa guida vi insegnerà alcuni semplici metodi per gestire il controllo dei motori a induzione trifase. Leggendo questa guida, imparerete a far funzionare meglio le vostre macchine. Imparerete anche a risparmiare energia e a rendere più fluido il vostro lavoro. Spiegheremo le idee più complicate con semplici passaggi. In questo modo, la comprensione e la messa in pratica saranno semplici.

Perché è necessario il controllo della velocità per un motore a induzione?

Molti compiti non richiedono che un motore funzioni sempre alla massima velocità. Si pensi, ad esempio, a una pompa dell'acqua. A volte è necessario spostare molta acqua. Altre volte, invece, ne basta poca. Se il motore a induzione funziona sempre alla massima velocità, si spreca molta energia. Il controllo della velocità consente di adattare la velocità del motore al lavoro da svolgere. È molto importante per controllare la velocità.

L'utilizzo di un buon controllo della velocità dei motori trifase offre molti vantaggi. Aiuta a risparmiare energia elettrica e quindi a risparmiare denaro. Fa sì che le macchine si danneggino meno nel tempo. In questo modo le macchine durano più a lungo. Inoltre, consente di avere un maggiore controllo sul lavoro. Ad esempio, è possibile avviare lentamente un nastro trasportatore per evitare che gli articoli cadano. Un buon controllo della velocità rende un ottimo motore a induzione ancora migliore. Diventa più utile e spreca meno energia.

Come funziona un motore a induzione trifase in modo semplice?

Prima di parlare di controllo della velocità, vediamo come funziona un motore a induzione trifase. Ha due parti principali. Si tratta dello statore e del rotore. Lo statore è la parte esterna che rimane ferma. Al suo interno ci sono delle bobine di filo che sono chiamate avvolgimenti dello statore. Il rotore è la parte interna che gira.

Quando si invia una tensione trifase all'avvolgimento dello statore, avviene qualcosa di interessante. Si crea un campo magnetico rotante. Si può immaginare come un magnete che gira all'interno dello statore. Questo campo magnetico si muove oltre le barre del rotore. Questo crea, o induce, una tensione e una corrente al loro interno. La corrente indotta nel rotore crea un proprio campo magnetico. I due campi magnetici si spingono e si tirano a vicenda. Il campo dello statore trascina quindi con sé il rotore, facendolo girare. Il motore è chiamato motore a induzione perché la tensione viene generata nel rotore senza che vi sia alcun filo che lo tocchi.

Che cos'è la velocità sincrona e perché è importante?

La velocità del campo magnetico rotante all'interno dello statore è nota come velocità sincrona. Si tratta della velocità massima che il motore a induzione può raggiungere. La regola matematica per la velocità sincrona (Ns) è:

Ns = (120 x f) / P

• f indica la frequenza di alimentazione della corrente (ad esempio, 60 Hz negli Stati Uniti).
• P indica il numero di poli dello statore.

La velocità reale del rotore è sempre un po' più bassa della velocità sincrona. La piccola differenza di velocità tra la velocità sincrona e la velocità del rotore è chiamata "scorrimento". Questo slittamento consente al motore a induzione di creare forza di rotazione, o coppia, e di lavorare. Se non ci fosse lo scorrimento, il motore a induzione avrebbe una coppia nulla. Quindi, per modificare la velocità di un motore a induzione, dobbiamo cambiare la velocità sincrona o lo scorrimento. La velocità sincrona del motore è la parte più importante.

È possibile controllare un motore a induzione dalla parte dello statore?

Sì, è certamente possibile! Controllare il motore a induzione dal lato dello statore è una cosa molto normale. Ciò significa che si modifica la potenza che entra nello statore. In questo modo si regola la velocità. Questi metodi, come la modifica della tensione o della frequenza, sono molto apprezzati. Questo perché non è necessario apportare modifiche al motore a induzione stesso.

Esistono tre modi principali per farlo:

• Controllo della tensione dello statore: Ciò significa modificare la tensione fornita allo statore.
• Cambio di polo: Ciò significa cambiare il numero di poli dello statore.
• Controllo della frequenza: Ciò significa modificare la frequenza della tensione di alimentazione.

Ogni metodo di controllo della velocità ha i suoi pregi e i suoi difetti. Analizzeremo ciascuno di essi. Questo ci aiuterà a capire come funziona per il motore a induzione. Questo tipo di controllo della velocità dal circuito dello statore è utilizzato in molti luoghi.

La modifica della tensione di alimentazione è un buon metodo di controllo della velocità?

Un modo per controllare la velocità di un motore a induzione è quello di modificare la tensione di alimentazione. Si può utilizzare un dispositivo come un trasformatore per abbassare la tensione che arriva al motore. Quando la tensione applicata allo statore si abbassa, la coppia prodotta dal motore a induzione diminuisce di molto. La coppia è legata alla tensione moltiplicata per se stessa. Ciò significa che un piccolo calo di tensione porterà a un calo molto forte della coppia.

Questo metodo di controllo della velocità è facile da eseguire, ma non è la scelta migliore per molte attività. Quando la coppia diminuisce, il motore a induzione rallenta. Ma lo scorrimento aumenta, il che significa che più energia viene persa sotto forma di calore all'interno del rotore. In questo modo il motore a induzione spreca più potenza e potrebbe surriscaldarsi. Questa tecnica di controllo della velocità viene talvolta utilizzata per i piccoli motori che azionano ventole o pompe. In questi casi, la coppia di carico si riduce quando la velocità diminuisce. Anche il fattore di potenza peggiora a una bassa tensione.

In che modo la modifica del numero di poli dello statore controlla la velocità?

Ricordate la regola matematica per la velocità sincrona? Dimostrava che la velocità dipende dal numero di poli. Il metodo del cambio di polo per il controllo della velocità si basa su questa idea. Alcuni tipi speciali di motori a induzione sono realizzati con un avvolgimento di statore che può essere cablato in modo diverso. Questo viene fatto per ottenere un numero diverso di poli. Ad esempio, si può passare da un motore con 4 poli statorici a uno con 8 poli statorici.

Quando si cambia il numero di poli, si ottiene un grande salto di velocità. Un motore a induzione a 4 poli con alimentazione a 60 Hz ha una velocità sincrona di 1800 giri/min. Se si passa a 8 poli, la velocità sincrona scende a 900 giri/min. Questo metodo consente di ottenere velocità diverse. Ma non consente un controllo regolare della velocità. È possibile scegliere solo tra due, o forse tre, velocità impostate. Questo metodo è utile per applicazioni come le ventole a due velocità o alcune macchine utensili. Tuttavia, la gamma di controllo della velocità è ridotta. È un modo semplice ed efficace per ottenere un cambio di velocità graduale.

Che cos'è il metodo V/F per il controllo della velocità dei motori a induzione?

Questo è il metodo di controllo della velocità migliore e più comune per un motore a induzione trifase utilizzato oggi. È noto come controllo a tensione e frequenza variabile (V/VVF) o da tensione a frequenza (V/f). L'idea è facile da capire. Se si modifica la frequenza dell'alimentazione, si modifica la velocità sincrona del motore a induzione. Se la velocità aumenta, è perché la frequenza è stata aumentata. Se la velocità diminuisce, è perché la frequenza è stata ridotta.

Affinché questo funzioni bene, è necessario modificare anche la tensione contemporaneamente alla frequenza. La coppia di un motore a induzione si basa sul campo magnetico (mmf) nello statore. Per mantenere questo campo e la coppia allo stesso livello, il rapporto tra tensione e frequenza (V/f) deve rimanere invariato. A tale scopo si utilizza uno strumento speciale chiamato inverter. L'inverter prende la normale corrente alternata e la trasforma in corrente continua. Quindi, utilizza un processo chiamato modulazione per trasformare nuovamente l'alimentazione in corrente continua in corrente alternata. Questa nuova corrente alternata può essere a qualsiasi tensione e frequenza variabile. In questo modo si ottiene un controllo della velocità molto fluido su un'ampia gamma di velocità. Questo è il metodo di controllo della velocità che spreca la minor quantità di energia.

È possibile utilizzare un metodo di controllo della velocità dalla parte del rotore?

Sì, ma funziona solo con un tipo particolare di motore a induzione. La maggior parte dei motori a induzione è costituita da motori a gabbia di scoiattolo. In questi motori, le barre del rotore sono fissate in posizione. Per questi motori, il controllo della velocità non è possibile dal lato del rotore. Esiste però un altro tipo di motore, chiamato motore a induzione a rotore avvolto o ad anello scorrevole. Questo motore principale ha bobine di filo nel rotore, proprio come lo statore.

Queste bobine nel rotore sono collegate a tre anelli di scorrimento sull'albero del motore. Le spazzole entrano in contatto con questi anelli. Questo ci permette di aggiungere una resistenza esterna al circuito del rotore. Modificando il circuito del rotore, possiamo modificare il comportamento del motore a induzione in termini di velocità e coppia. Questo ci offre una serie di nuove tecniche di controllo della velocità.

In che modo l'aggiunta della resistenza del rotore aiuta a controllare un motore a induzione trifase?

Per un motore a induzione a rotore avvolto, il modo più semplice per controllare la velocità sul lato del rotore è aggiungere una resistenza al rotore. Si collega un reostato (che è un resistore modificabile) agli anelli di scorrimento del rotore. Quando aggiungiamo una resistenza esterna al circuito del rotore, il motore si comporta in modo diverso. La resistenza aggiunta aumenta lo scorrimento del motore per una data coppia.

Quando lo scorrimento aumenta, la velocità del rotore diminuisce. Ruotando semplicemente la manopola del reostato, è possibile ottenere un'ampia gamma di controllo della velocità. Questo metodo di controllo della velocità è adatto a lavori che richiedono una coppia di avviamento molto elevata. Alcuni esempi sono gru, paranchi e laminatoi. L'aspetto negativo è la grande perdita di potenza. Tutta la resistenza extra nel circuito del rotore trasforma l'energia elettrica in calore. È come cercare di guidare l'auto premendo i freni. Funziona, ma spreca molta energia. La corrente di avviamento può essere gestita bene con questo metodo.

Che cos'è il controllo in cascata per un motore trifase?

Il controllo a cascata è un metodo più complicato di controllo della velocità che funziona anche dal lato del rotore. È un modo intelligente per evitare di sprecare tutta la potenza di scorrimento come calore, come accade con il controllo della resistenza del rotore. In questo caso, si utilizzano due motori collegati tra loro. Il motore principale è un motore a induzione a rotore avvolto.

L'energia proveniente dal circuito del rotore del motore principale non viene inviata a un reostato. Viene invece utilizzata per far funzionare un secondo motore, chiamato motore ausiliario. Questo motore ausiliario contribuisce a far girare l'albero principale. Modificando la configurazione del motore ausiliario, possiamo controllare la frequenza di scorrimento e l'emf del rotore del motore principale. In questo modo si modifica la sua velocità. Esistono diversi modi per collegare i motori. In questo modo si possono ottenere quattro diverse scelte di velocità costante. Questo sistema spreca meno energia rispetto al controllo della resistenza del rotore, ma è anche più costoso e complicato. Oggi gli azionamenti V/F che utilizzano un convertitore e un inverter sono spesso un'opzione migliore per la velocità dei motori a induzione.

Cose fondamentali da ricordare

Ecco un rapido ripasso di ciò che abbiamo imparato sul controllo della velocità di un motore a induzione trifase:

• Perché controllare la velocità? Per consumare meno energia, far durare di più le macchine e controllare meglio il lavoro. Un motore a induzione trifase è molto più utile per il controllo della velocità.
• Due aree principali: È possibile controllare un motore a induzione dal lato statore o dal lato rotore.
• Controllo lato statore: Ciò include la modifica della tensione, del numero di poli o della frequenza.
• Controllo della tensione: È semplice, ma spreca molta potenza. La coppia diminuisce rapidamente quando si abbassa la tensione. Ne consegue un'elevata perdita di potenza.
• Cambio di polo: In questo modo è possibile impostare alcune velocità. Funziona bene, ma non è un cambio fluido.
• Controllo V/F: È il metodo di controllo della velocità migliore per la maggior parte delle situazioni. Utilizza un inverter per modificare contemporaneamente la tensione e la frequenza. È un metodo molto efficace per risparmiare energia e fornisce un controllo fluido della velocità.
• Controllo laterale del rotore: Questo può essere fatto solo su speciali motori a induzione a rotore avvolto.
• Controllo della resistenza del rotore: Un semplice metodo di controllo della velocità per i motori a rotore avvolto. È ottimo per una coppia di avviamento elevata, ma trasforma molta energia in calore sprecato. Questo avviene inserendo una resistenza esterna.
• Scegliere un metodo: Il giusto controllo di velocità per il vostro motore a induzione dipende dalla macchina, dal budget e dalla quantità di controllo di cui avete bisogno. Per quasi tutti gli usi moderni, il controllo V/F è la scelta numero uno.