Una alimentazione trifase fornisce un campo magnetico rotante in un motore ad induzione

Inerente slip – disparità di frequenza di rotazione del campo statore e il rotore

In entrambi induzione e motori sincroni, di alimentazione CA in dotazione al motore statore genera un campo magnetico che ruota in sincronia con l’AC oscillazioni. Mentre il rotore di un motore sincrono gira alla stessa velocità del campo dello statore, il rotore di un motore asincrono ruota a una velocità leggermente inferiore rispetto al campo dello statore. Il campo magnetico dello statore del motore a induzione sta quindi cambiando o ruotando rispetto al rotore. Questo induce una corrente opposta nel rotore del motore asincrono, in effetti l’avvolgimento secondario del motore, quando quest’ultimo è cortocircuitato o chiuso attraverso un’impedenza esterna. Il flusso magnetico rotante induce correnti negli avvolgimenti del rotore, in modo simile alle correnti indotte negli avvolgimenti secondari di un trasformatore.

Le correnti indotte negli avvolgimenti del rotore a loro volta creano campi magnetici nel rotore che reagiscono contro il campo dello statore. La direzione del campo magnetico creato sarà tale da opporsi al cambiamento di corrente attraverso gli avvolgimenti del rotore, in accordo con la Legge di Lenz. La causa della corrente indotta negli avvolgimenti del rotore è il campo magnetico dello statore rotante, quindi per opporsi al cambiamento delle correnti di avvolgimento del rotore il rotore inizierà a ruotare nella direzione del campo magnetico dello statore rotante. Il rotore accelera fino a quando l’entità della corrente e della coppia del rotore indotte equilibra il carico meccanico applicato sulla rotazione del rotore. Poiché la rotazione a velocità sincrona non comporterebbe alcuna corrente del rotore indotta, un motore asincrono funziona sempre leggermente più lentamente della velocità sincrona. La differenza, o” slittamento”, tra velocità effettiva e sincrona varia da circa 0,5% a 5,0% per motori asincroni con curva di coppia B di progettazione standard. Il carattere essenziale del motore a induzione è che viene creato esclusivamente per induzione invece di essere eccitato separatamente come nelle macchine sincrone o DC o essere auto-magnetizzato come nei motori a magneti permanenti.

Affinché le correnti del rotore siano indotte, la velocità del rotore fisico deve essere inferiore a quella del campo magnetico rotante dello statore ( n s {\displaystyle n_{s}}

); altrimenti il campo magnetico non si muoverebbe rispetto ai conduttori del rotore e non sarebbero indotte correnti. Quando la velocità del rotore scende al di sotto della velocità sincrona, la velocità di rotazione del campo magnetico nel rotore aumenta, inducendo più corrente negli avvolgimenti e creando più coppia. Il rapporto tra la velocità di rotazione del campo magnetico indotto nel rotore e la velocità di rotazione del campo rotante dello statore è chiamato “slittamento”. Sotto carico, la velocità diminuisce e lo slittamento aumenta abbastanza da creare una coppia sufficiente per ruotare il carico. Per questo motivo, i motori asincroni sono talvolta indicati come”motori asincroni”.

Un motore asincrono può essere utilizzato come generatore di induzione, oppure può essere srotolato per formare un motore asincrono lineare che può generare direttamente movimento lineare. La modalità di generazione per i motori asincroni è complicata dalla necessità di eccitare il rotore, che inizia con la sola magnetizzazione residua. In alcuni casi, la magnetizzazione residua è sufficiente per auto-eccitare il motore sotto carico. Pertanto, è necessario scattare il motore e collegarlo momentaneamente a una griglia in tensione o aggiungere condensatori caricati inizialmente dal magnetismo residuo e fornendo la potenza reattiva richiesta durante il funzionamento. Simile è il funzionamento del motore asincrono in parallelo con un motore sincrono che funge da compensatore del fattore di potenza. Una caratteristica nella modalità generatore in parallelo alla griglia è che la velocità del rotore è superiore a quella della modalità di guida. Quindi viene data energia attiva alla griglia. Un altro svantaggio del generatore di motori a induzione è che consuma una significativa corrente di magnetizzazione I0 = (20-35)%.

Sincrono speedEdit

Un motore a corrente alternata la velocità di sincronismo, f s {\displaystyle f_{s}}

è la velocità di rotazione dello statore campo magnetico f s = 2 f p {\displaystyle f_{s}={2f \over p}}

dove f {\displaystyle f}

è la frequenza della corrente di alimentazione, p {\displaystyle p}

è il numero di poli magnetici, e f s {\displaystyle f_{s}}

è la velocità sincrona della macchina. Per f {\displaystyle f}

in hertz e n s {\displaystyle n_{s}}

velocità sincrona in RPM, la formula diventa: n s = 2 f p ⋅ ( 60 s e c o n d o s e m i n u t e ) = 120 f p ⋅ ( s e c o n d o s e m i n u t e ) {\displaystyle n_{s}={2f \over p}\cdot \left({\frac {60\ \mathrm {secondi} }{\mathrm {minuto} }}\right)={120f \over {p}}\cdot \left({\frac {\mathrm {secondi} }{\mathrm {minuto} }}\right)}

.

Per esempio, per un quattro poli, trifase, p {\displaystyle p}

= 4 e n s = 120 f 4 {\displaystyle n_{s}={120f \over 4}}

= 1500 GIRI / min (f {\displaystyle f}

= 50 Hz) e 1.800 GIRI / min (f {\displaystyle f}

= 60 Hz) velocità sincrona.

Il numero di poli magnetici, p {\displaystyle p}

, è uguale al numero di gruppi di bobine per fase. Per determinare il numero di gruppi di bobine per fase in un motore a 3 fasi, contare il numero di bobine, dividere per il numero di fasi, che è 3. Le bobine possono estendersi diverse fessure nel nucleo dello statore, rendendo noioso contarli. Per un motore a 3 fasi, se si contano un totale di 12 gruppi di bobine, ha 4 poli magnetici. Per una macchina a 3 fasi a 12 poli, ci saranno 36 bobine. Il numero di poli magnetici nel rotore è uguale al numero di poli magnetici nello statore.

Le due figure a destra e a sinistra sopra ciascuna illustrano una macchina a 3 fasi a 2 poli composta da tre coppie di poli con ciascun polo distanziato di 60°.

SlipEdit

Tipica curva di coppia come una funzione di slittamento, rappresentato come “g” qui

Slip, s {\displaystyle s}

, è definito come la differenza tra la velocità di sincronismo e la velocità di funzionamento, alla stessa frequenza, espressa in giri al minuto, o in percentuale o rapporto di velocità sincrona. Quindi s = n s n r n s {\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}

dove n s {\displaystyle n_{s}}

è statore elettrici di velocità, n r {\displaystyle n_{r}}

è meccanica del rotore velocità. Slittamento, che varia da zero a velocità sincrona e 1 quando il rotore è in stallo, determina la coppia del motore. Poiché gli avvolgimenti del rotore cortocircuitati hanno una piccola resistenza, anche un piccolo slittamento induce una grande corrente nel rotore e produce una coppia significativa. A pieno carico nominale, lo slittamento varia da più di 5% per i piccoli o motori di scopo speciale a meno di 1% per i grandi motori. Queste variazioni di velocità possono causare problemi di condivisione del carico quando motori di dimensioni diverse sono collegati meccanicamente. Vari metodi sono disponibili per ridurre lo slittamento, VFDs spesso offrendo la soluzione migliore.

TorqueEdit

Standard torqueEdit

Speed-torque curves for four induction motor types: A) Single-phase, B) Polyphase cage, C) Polyphase cage deep bar, D) Polyphase double cage

Typical speed-torque curve for NEMA Design B Motor

Play media

Soluzione transitoria per un motore asincrono AC da un arresto completo al suo punto operativo sotto un carico variabile.

La relazione velocità-coppia tipica di un motore asincrono polifase standard NEMA Design B è come mostrato nella curva a destra. Adatti per la maggior parte dei carichi a basse prestazioni come pompe centrifughe e ventilatori, i motori di Design B sono vincolati dalle seguenti gamme di coppia tipiche:

• Coppia di rottura (coppia massima), 175-300% della coppia nominale
• Coppia a rotore bloccato (coppia al 100% di slittamento), 75-275% della coppia nominale
• Coppia di trazione, 65-190% della coppia nominale.

Nell’intervallo di carico normale di un motore, la pendenza della coppia è approssimativamente lineare o proporzionale allo slittamento perché il valore della resistenza del rotore diviso per lo slittamento, R r ‘ /s {\displaystyle R_{r}’/s}

, domina la coppia in modo lineare. Man mano che il carico aumenta al di sopra del carico nominale, i fattori di reattanza delle perdite dello statore e del rotore diventano gradualmente più significativi in relazione a R r ‘ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

tale che la coppia si curva gradualmente verso la coppia di rottura. Quando la coppia di carico aumenta oltre la coppia di rottura, il motore si blocca.

StartingEdit

Esistono tre tipi fondamentali di piccoli motori asincroni: monofase a fase divisa, monofase a palo ombreggiato e polifase.

Nei motori monofase bipolari, la coppia va a zero al 100% di slittamento (velocità zero), quindi questi richiedono modifiche allo statore come i poli ombreggiati per fornire la coppia di avviamento. Un motore asincrono monofase richiede circuiti di avviamento separati per fornire un campo rotante al motore. Gli avvolgimenti correnti normali all’interno di tale motore monofase possono indurre il rotore a girare in entrambe le direzioni, in modo dal circuito cominciante determina la direzione di funzionamento.

Flusso magnetico nel motore a poli ombreggiato.

In alcuni motori monofase più piccoli, l’avviamento avviene per mezzo di un filo di rame che gira intorno a una parte di un palo; tale polo è indicato come un palo ombreggiato. La corrente indotta in questo turno è in ritardo rispetto alla corrente di alimentazione, creando un campo magnetico ritardato attorno alla parte ombreggiata della faccia del polo. Ciò conferisce energia di campo rotazionale sufficiente per avviare il motore. Questi motori sono tipicamente utilizzati in applicazioni come ventilatori da tavolo e giradischi, poiché la coppia di avviamento richiesta è bassa e la bassa efficienza è tollerabile rispetto al costo ridotto del motore e del metodo di avviamento rispetto ad altri modelli di motori a corrente alternata.

I motori monofase più grandi sono motori split-phase e hanno un secondo avvolgimento dello statore alimentato con corrente fuori fase; tali correnti possono essere create alimentando l’avvolgimento attraverso un condensatore o facendolo ricevere diversi valori di induttanza e resistenza dall’avvolgimento principale. Nei progetti di avviamento del condensatore, il secondo avvolgimento viene scollegato una volta che il motore è a regime, di solito tramite un interruttore centrifugo che agisce sui pesi sull’albero motore o un termistore che riscalda e aumenta la sua resistenza, riducendo la corrente attraverso il secondo avvolgimento ad un livello insignificante. I disegni condensatore-run mantenere il secondo avvolgimento durante l’esecuzione, migliorando la coppia. Un design di avvio di resistenza utilizza un avviatore inserito in serie con l’avvolgimento di avvio, creando reattanza.

I motori asincroni polifasici autoavvianti producono coppia anche a fermo. I metodi disponibili per l’avviamento dei motori a induzione a gabbia di scoiattolo includono l’avviamento diretto on-line, l’avviamento di reattori a tensione ridotta o di auto-trasformatori, l’avviamento a stella-delta o, sempre più spesso, nuovi assemblaggi soft a stato solido e, naturalmente, i variable Frequency drives (VFD).

I motori polifase hanno barre del rotore sagomate per dare diverse caratteristiche di velocità-coppia. La distribuzione della corrente all’interno delle barre del rotore varia a seconda della frequenza della corrente indotta. A fermo, la corrente del rotore ha la stessa frequenza della corrente dello statore e tende a viaggiare nelle parti più esterne delle barre del rotore della gabbia (per effetto pelle). Le diverse forme della barra possono dare utilmente diverse caratteristiche di velocità-coppia, nonché un certo controllo sulla corrente di spunto all’avvio.

Sebbene i motori polifase siano intrinsecamente autoavvianti, i loro limiti di coppia di avviamento e di trazione devono essere sufficientemente elevati da superare le condizioni di carico effettive.

Nei motori a rotore avvolto, il collegamento del circuito del rotore tramite collettori ad anelli alle resistenze esterne consente di modificare le caratteristiche di velocità-coppia per il controllo dell’accelerazione e del controllo della velocità.

Velocità controlEdit

ResistanceEdit

velocità Tipica-le curve di potenza per il motore diverse frequenze di ingresso, come ad esempio utilizzato con frequenza variabile a dischi

Prima che lo sviluppo di semiconduttori elettronica di potenza, era difficile variare la frequenza e motori a induzione a gabbia sono stati utilizzati principalmente nella velocità fissa applicazioni. Le applicazioni quali le gru a ponte elettriche hanno usato gli azionamenti di CC o i motori arrotolati del rotore (WRIM) con gli anelli di contatto per il collegamento del circuito del rotore alla resistenza esterna variabile permettendo la gamma considerevole di controllo della velocità. Tuttavia, le perdite di resistenza associate al funzionamento a bassa velocità dei WRIM sono uno svantaggio di costo importante, specialmente per carichi costanti. I grandi azionamenti del motore dell’anello di contatto, chiamati sistemi di recupero di energia di slittamento, alcuni ancora in uso, recuperano l’energia dal circuito del rotore, la rettificano e la restituiscono al sistema di alimentazione facendo uso di un VFD.

CascadeEdit

La velocità di una coppia di motori ad anello di scorrimento può essere controllata da una connessione a cascata o concatenazione. Il rotore di un motore è collegato allo statore dell’altro. Se anche i due motori sono collegati meccanicamente, funzioneranno a metà velocità. Questo sistema era un tempo ampiamente utilizzato nelle locomotive ferroviarie a corrente alternata trifase, come la classe FS E. 333.

Unità a frequenza variabilemodifica

Unità a frequenza variabile

Articolo principale: Azionamento a frequenza variabile

In molte applicazioni industriali a velocità variabile, gli azionamenti CC e WRIM vengono spostati da motori asincroni a gabbia alimentati da VFD. Il modo più comune efficiente per controllare la velocità del motore asincrono di molti carichi è con VFDs. Gli ostacoli all’adozione di VFD dovuti a considerazioni di costi e affidabilità sono stati notevolmente ridotti negli ultimi tre decenni, tanto che si stima che la tecnologia di azionamento sia adottata in ben il 30-40% di tutti i motori di nuova installazione.

Gli azionamenti a frequenza variabile implementano il controllo scalare o vettoriale di un motore asincrono.

Con il controllo scalare, solo la grandezza e la frequenza della tensione di alimentazione sono controllate senza controllo di fase (feedback assente dalla posizione del rotore). Il controllo scalare è adatto per applicazioni in cui il carico è costante.

Il controllo vettoriale consente il controllo indipendente della velocità e della coppia del motore, consentendo di mantenere una velocità di rotazione costante a una coppia di carico variabile. Ma il controllo vettoriale è più costoso a causa del costo del sensore (non sempre) e del requisito di un controller più potente.