Conoscere i tipi di motore a induzione: Guida al funzionamento

Il cuore di molte delle gigantesche attrezzature di fabbrica è un cavallo di battaglia potente ed affidabile: il motore a induzione. Si tratta di un tipo di motore a corrente alternata famoso per essere semplice, resistente ed economico da costruire. Funziona grazie a un ingegnoso trucco della fisica chiamato induzione elettromagnetica. Questo articolo è per voi se vi siete mai chiesti come funzionano questi motori o quali sono i diversi tipi di motori a induzione. Imparerete i principali tipi e vedrete dove vengono utilizzati ogni giorno.

Che cos'è un motore a induzione e come funziona?

Un motore a induzione è un motore elettrico che utilizza la corrente alternata (CA) per funzionare. Il suo compito principale è quello di convertire l'energia elettrica in energia meccanica, ovvero di trasformare l'elettricità in movimento. L'idea di questo tipo di motore è venuta al geniale inventore Nikola Tesla. Ha due parti principali: una parte stazionaria chiamata statore e una parte rotante chiamata rotore. Non esiste un collegamento elettrico diretto tra lo statore e il rotore.

La magia avviene grazie a un principio chiamato induzione elettromagnetica. Quando si fa passare una corrente alternata attraverso gli avvolgimenti dello statore, si crea un campo magnetico che ruota. Pensate a un magnete che gira. Questo campo rotante passa attraverso il rotore e, a sua volta, induce una corrente all'interno del rotore. Questa corrente indotta crea un proprio campo magnetico. I due campi magnetici si spingono e si tirano a vicenda, facendo girare il rotore e creando energia meccanica. Il motore a induzione funziona così, senza spazzole o contatti fisici con il rotore.

Quali sono i due tipi principali di motori a induzione?

Quando parliamo di tipi di induzione, di solito li dividiamo in due grandi gruppi. Il raggruppamento dipende dal tipo di alimentazione CA che utilizzano. I due tipi principali sono motori a induzione monofase e motori a induzione trifase.

La differenza sostanziale è l'alimentazione. Un motore monofase funziona con un'alimentazione monofase, che è il tipo di alimentazione che si ha in casa. Un motore a induzione trifase ha bisogno di un'alimentazione trifase, comune negli ambienti commerciali e industriali. Questa differenza di alimentazione cambia il modo in cui il motore a induzione è costruito e le sue prestazioni. I motori trifase sono generalmente più potenti ed efficienti.

Parliamo di motori a induzione monofase

Esaminiamo ora il primo tipo. I motori a induzione monofase sono ovunque. Se a casa avete un ventilatore, un frigorifero, una lavatrice o una piccola pompa, probabilmente ne avete uno. Sono molto diffusi perché possono funzionare con la tensione domestica standard. Questo li rende perfetti per gli elettrodomestici di tutti i giorni.

Un motore a induzione monofase di base non è autoavviante. Ciò significa che se lo si collega a un'alimentazione CA monofase, il rotore ronza e vibra, ma non gira. Non ha una coppia di avviamento sufficiente, ovvero la forza di torsione necessaria per metterlo in movimento. Per risolvere questo problema, gli ingegneri hanno escogitato modi ingegnosi per dare una "spinta" al motore per farlo partire. Un motore CA di questo tipo ha sempre bisogno di un circuito di avviamento speciale.

Come fa uno statore monofase a creare il movimento?

Perché un motore monofase non si avvia da solo? Perché il campo magnetico prodotto dal suo statore non è un campo magnetico rotante. Al contrario, il campo dello statore è semplicemente pulsante. Diventa forte, poi debole, poi di nuovo forte, ma non ruota intorno allo statore. Questo campo pulsante può mantenere un rotore Una volta in movimento, la rotazione è già in corso, ma non è possibile farla partire da fermo.

Per risolvere questo problema, il motore ha bisogno di un modo per produrre un campo rotante, almeno per un momento. Ciò avviene aggiungendo un secondo avvolgimento allo statore, chiamato avvolgimento di avviamento. L'avvolgimento principale fornisce la potenza di funzionamento. L'avvolgimento di avviamento viene utilizzato solo per creare un secondo campo magnetico sfasato rispetto al primo. Questa differenza crea un debole campo rotante che fornisce al motore la coppia iniziale necessaria per iniziare a girare.

Quali sono i diversi tipi di motori monofase?

Poiché devono essere aiutati ad avviarsi, esistono alcuni tipi di motori monofase. Ogni tipo utilizza un metodo diverso per creare la coppia di avviamento. I motori a induzione più comuni comprendono i motori a fase divisa, i motori con avviamento a condensatore e i motori a polo ombra.

I motori a fase divisa sono semplici ed economici. Utilizzano un avvolgimento di partenza con caratteristiche diverse da quello principale per creare lo sfasamento. Una volta che il motore raggiunge la velocità, un interruttore scollega l'avvolgimento di avvio. I motori con avviamento a condensatore sono un passo avanti. Utilizzano un condensatore nel circuito di avviamento. Questo condensatore crea uno sfasamento molto migliore, che conferisce al motore una coppia di avviamento molto elevata. Sono ideali per macchine come i compressori che hanno bisogno di molta potenza per partire. Infine, i motori a poli schermati sono molto semplici e hanno una coppia ridotta. Utilizzano un piccolo anello di rame sullo statore per creare il secondo campo. Si trovano nei ventilatori di piccole dimensioni, dove non è necessaria un'elevata potenza.

Perché i motori a induzione trifase sono così potenti?

Passiamo ora al fratello maggiore: il motore a induzione trifase. Questi sono i cavalli di battaglia dell'industria. Secondo la mia esperienza, quando si ha bisogno di energia affidabile ed efficiente per grandi macchine, è questo il motore a induzione da utilizzare. Vengono utilizzati per qualsiasi cosa, dalle pompe e dai trasportatori di grandi dimensioni all'automazione di fabbrica.

Il segreto della loro potenza risiede nell'alimentazione in corrente alternata trifase. Questo tipo di corrente alternata prevede tre correnti separate, tutte perfettamente sincronizzate. Quando si immette questa corrente nello statore di un motore trifase, accade qualcosa di straordinario. Gli avvolgimenti sono distribuiti in modo tale da creare naturalmente un vero campo magnetico rotante. Non c'è bisogno di un condensatore o di un avvolgimento di avvio. Questo rende il motore a induzione trifase autoavviante, molto efficiente e in grado di produrre una coppia regolare e costante. Il campo dello statore è forte e gira dal momento in cui si applica l'alimentazione.

Quali sono i due tipi di motori trifase?

Anche nel mondo dei motori trifase, esistono due modelli principali per il rotore. Si tratta del rotore a gabbia di scoiattolo e del motore ad anello scorrevole (detto anche motore a rotore avvolto). La stragrande maggioranza dei motori a induzione è ampiamente utilizzata con il design a gabbia di scoiattolo perché è così semplice e robusto.

Il rotore a gabbia di scoiattolo è costituito da un cilindro di acciaio attraversato da pesanti barre di rame o alluminio, chiamate barre del rotore. Le barre sono collegate alle estremità. Assomiglia a una gabbia per criceti o scoiattoli, da cui deriva il nome. Un motore ad anello scorrevole è diverso. Il rotore è dotato di avvolgimenti a filo, come lo statore. Questi avvolgimenti sono collegati a resistenze esterne tramite un collettore rotante e spazzole. Questa configurazione consente di controllare la velocità e la coppia del motore e di ottenere una coppia di avviamento molto elevata per lavori speciali. Un motore a induzione polifase di questo tipo è meno comune, ma molto utile per determinati carichi pesanti. Questo design polifase ac è complesso.

Come scegliere tra i diversi motori e le loro applicazioni?

La scelta del motore a induzione giusto dipende dal lavoro che deve svolgere. Per la maggior parte degli usi domestici e commerciali leggeri, un motore monofase è la scelta giusta. I motori a induzione monofase sono utilizzati negli elettrodomestici perché possono funzionare con la tensione domestica standard. Se è necessario alimentare un trapano a colonna, un piccolo compressore d'aria o una pompa dell'acqua in una casa, si utilizzano questi motori.

Per i lavori più gravosi nelle fabbriche, si utilizza quasi sempre un motore a induzione trifase. I motori a induzione trifase sono utilizzati perché sono più efficienti, hanno un fattore di potenza più elevato e possono erogare molta più potenza. La scelta tra un modello a gabbia di scoiattolo e uno ad anello dipende dalla coppia necessaria. Per la maggior parte delle applicazioni con normali esigenze di coppia di avviamento, la macchina a induzione a gabbia di scoiattolo è perfetta. Per applicazioni come una grande gru che deve partire con un carico molto pesante, il motore asincrono a collettore rotante è la scelta migliore. Anche il collegamento elettrico di un motore trifase è più complesso. Questo motore a induzione ac è un vero e proprio strumento industriale.

Che ruolo hanno i poli in un motore a induzione?

I poli di un motore a induzione si riferiscono ai poli magnetici creati dagli avvolgimenti dello statore. Sono sempre in coppia (2 poli, 4 poli, 6 poli, ecc.). Il numero di poli è direttamente correlato alla velocità del motore. La velocità del campo magnetico dello statore è chiamata velocità sincrona.

Ecco una semplice regola: più poli ha un motore a induzione, più lenta è la sua velocità sincrona. Un motore a 2 poli alimentato a 60 Hz avrà una velocità sincrona di 3600 giri al minuto (RPM). Un motore a 4 poli con la stessa potenza funzionerà a 1800 giri al minuto. La velocità effettiva del rotore è sempre leggermente inferiore alla velocità sincrona. Questa differenza è chiamata "slittamento" e consente al motore di indurre corrente nel rotore e produrre coppia. Il campo prodotto dallo statore determina la velocità massima.

Un motore a induzione ha un buon fattore di potenza?

Infine, parliamo del fattore di potenza. In parole povere, il fattore di potenza è una misura dell'efficienza con cui un motore elettrico utilizza l'elettricità che preleva. Un fattore di potenza perfetto è pari a 1,0. I motori a induzione, soprattutto quando non funzionano a pieno carico, possono avere un fattore di potenza insufficiente. Ciò significa che assorbono più corrente di quanta ne utilizzino effettivamente per lavorare.

Per un proprietario di casa, questo non è un grosso problema. Ma nelle applicazioni commerciali e industriali con centinaia di motori, un fattore di potenza basso può sprecare molta energia e aumentare le bollette dell'elettricità. I motori a induzione trifase hanno generalmente un fattore di potenza migliore rispetto ai motori monofase. Le moderne tecnologie, come gli azionamenti a frequenza variabile che utilizzano l'elettronica di potenza, possono aiutare a controllare la velocità del motore e a migliorare notevolmente il suo fattore di potenza, rendendo questo potente motore a induzione ancora più efficiente. La coppia di carico del motore influisce notevolmente sul suo fattore di potenza.