Motori elettrici CA: parti, tipi, cablaggio e funzionamento

Come un Motore CA Funziona

Un motore CA converte l'energia elettrica della corrente alternata in energia di rotazione meccanica attraverso il principio dell'induzione elettromagnetica. Quando la tensione di alimentazione CA viene applicata agli avvolgimenti dello statore, genera un campo magnetico rotante (RMF). La velocità con cui ruota questo campo è chiamata velocità sincrona , determinato dalla frequenza di alimentazione e dal numero di coppie di poli magnetici nello statore: Ns = 120f/P , dove f è la frequenza di alimentazione in Hz e P è il numero di poli.

In un motore a induzione, il tipo di motore CA più comune, il campo magnetico rotante attraversa i conduttori del rotore e induce una corrente al loro interno secondo la legge di Faraday. Quella corrente indotta produce il proprio campo magnetico e l'interazione tra il campo del rotore e il campo rotante dello statore genera una coppia che fa girare il rotore. Il rotore gira sempre leggermente più lentamente della velocità sincrona; questa differenza di velocità si chiama scivolare , tipicamente 2–8% nei motori a induzione standard. Senza scorrimento, non esiste movimento relativo tra il campo e i conduttori del rotore, non viene indotta alcuna corrente e non viene prodotta alcuna coppia.

Nei motori CA sincroni, il rotore è invece eccitato da un campo CC o utilizza magneti permanenti, bloccandolo per ruotare a velocità esattamente sincrona con scorrimento zero. Ciò rende i motori sincroni la scelta preferita laddove il funzionamento preciso a velocità costante è fondamentale, come nei meccanismi degli orologi, in alcuni macchinari tessili e negli azionamenti a velocità variabile ad alta efficienza.

Parti di un motore CA

Comprendere l'architettura interna di un motore CA aiuta a specificare l'unità giusta, diagnosticare i guasti e pianificare gli intervalli di manutenzione. I componenti principali sono:

• Statore: L'assemblaggio esterno stazionario che ospita il nucleo in ferro laminato e gli avvolgimenti in rame. Il nucleo dello statore è costituito da sottili laminazioni di acciaio al silicio impilate insieme per ridurre al minimo le perdite di correnti parassite. Gli avvolgimenti sono avvolti nelle fessure del nucleo e collegati all'alimentazione CA.
• Rotore: Il gruppo interno rotante montato sull'albero di uscita. Nei motori a induzione a gabbia di scoiattolo, il rotore è costituito da barre conduttrici in alluminio o rame cortocircuitate a ciascuna estremità da anelli terminali. Nei motori a rotore avvolto, il rotore trasporta avvolgimenti trifase collegati a resistori esterni tramite anelli collettori.
• Albero di uscita: Il solido albero in acciaio che trasferisce la coppia meccanica al carico azionato. Il diametro dell'albero e le dimensioni della sede della chiavetta sono standardizzati secondo le specifiche relative alle dimensioni del telaio IEC o NEMA.
• Cuscinetti: Tipicamente cuscinetti a sfere a gola profonda sul lato conduttore (DE) e sul lato non conduttore (NDE). I cuscinetti supportano i carichi radiali e assiali imposti dal rotore e dal carico condotto e rappresentano l'elemento sostitutivo per la manutenzione più comune.
• Scudi terminali (campane finali): Alloggiamenti in ghisa o alluminio che ricoprono ciascuna estremità del telaio del motore, mantenendo i cuscinetti in posizione e racchiudendo il gruppo interno.
• Ventola e copertura della ventola: La maggior parte dei motori CA hanno un design TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled), con una ventola di raffreddamento esterna montata sull'estensione dell'albero dell'estremità non di trasmissione, racchiusa da un coperchio della ventola in acciaio stampato. La ventola aspira l'aria ambiente sulle alette del telaio del motore per dissipare il calore.
• Scatola terminale (scatola di giunzione): Un alloggiamento resistente alle intemperie sul telaio del motore che contiene i terminali di collegamento dell'avvolgimento (tipicamente etichettati U1, V1, W1, U2, V2, W2 secondo la convenzione IEC). Qui è dove vengono collegati i cavi di alimentazione e gli eventuali collegamenti di configurazione stella/triangolo.
• Telaio: Il corpo strutturale esterno, solitamente in ghisa nervata o lega di alluminio, che fornisce supporto meccanico, funge da dissipatore di calore e supporta i piedini di montaggio o la flangia per l'installazione.

I componenti aggiuntivi presenti in tipi di motore specifici includono scivolare rings and brushes (motori asincroni a rotore avvolto), interruttori di avviamento centrifughi (motori monofase con avviamento a condensatore) e condensatori (progettazioni con condensatore di marcia monofase e avviamento/marcia del condensatore).

Tipi di motori elettrici CA

I motori CA si dividono in due famiglie principali: a induzione (asincroni) e sincroni, ciascuna con diversi sottotipi ottimizzati per diversi requisiti operativi.

Per la maggior parte delle applicazioni industriali, il motore asincrono trifase a gabbia di scoiattolo rimane la scelta predefinita. Non richiede spazzole, collettori rotanti o eccitazione esterna, il che lo rende l'opzione più economica e a manutenzione minima per carichi a velocità costante. Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) hanno esteso la loro usabilità ad applicazioni a velocità variabile che in precedenza richiedevano motori CC o a rotore avvolto.

Nozioni di base sullo schema elettrico del motore CA

Il cablaggio corretto di un motore CA è essenziale per un funzionamento sicuro e per ottenere le corrette caratteristiche di coppia e velocità. La configurazione della morsettiera varia in base al tipo di motore e alla tensione di alimentazione, ma quanto segue copre gli scenari più diffusi.

Motori Trifase Doppia Tensione (Stella/Delta)

La maggior parte dei motori a induzione trifase sono avvolti per due livelli di tensione, comunemente 230 V/400 V o 400 V/690 V, e la scatola morsettiera contiene sei conduttori etichettati U1, V1, W1 (inizio dell'avvolgimento) e U2, V2, W2 (estremità dell'avvolgimento). La tensione di alimentazione determina il collegamento:

• Collegamento a stella (Y) – tensione più alta: Collega U2, V2 e W2 insieme per formare il punto stella neutro. Collegare l'alimentazione trifase a U1, V1, W1. Ciascun avvolgimento vede la tensione fase-neutro. Utilizzato quando la tensione di alimentazione corrisponde alla tensione nominale più elevata del motore (ad esempio, alimentazione da 400 V su un motore da 230/400 V).
• Collegamento Delta (Δ) - tensione inferiore: Collegare U1 a W2, V1 a U2, W1 a V2, formando un anello chiuso. Collegare l'alimentazione trifase su ciascuna coppia di terminali uniti. Ciascun avvolgimento vede l'intera tensione da linea a linea. Utilizzato quando la tensione di alimentazione corrisponde alla tensione nominale inferiore del motore (ad esempio, alimentazione 230 V su un motore da 230/400 V).

Inizio Stella-Delta è un metodo di avvio graduale comune per i motori di grandi dimensioni: il motore si avvia a stella (tensione ridotta su ciascun avvolgimento = corrente di avviamento inferiore, in genere 1/3 dello spunto diretto), quindi passa a triangolo quando si avvicina alla massima velocità. Ciò riduce i disturbi di alimentazione ma riduce anche la coppia di avviamento dello stesso fattore 1/3, quindi è adatto solo per applicazioni di avviamento a basso carico.

Cablaggio motore monofase

I motori CA monofase richiedono un circuito di avviamento ausiliario perché un'alimentazione monofase da sola non può produrre un campo magnetico rotante. La disposizione del terminale include tipicamente:

• Terminali dell'avvolgimento principale (M): Collegato direttamente attraverso la linea e il neutro.
• Inizio avvolgimento terminali (S): Collegato in parallelo all'avvolgimento principale ma in serie al condensatore di avviamento. Il condensatore crea uno sfasamento (circa 90°) tra le correnti dell'avvolgimento principale e quello ausiliario, producendo un campo rotante sufficientemente forte da sviluppare la coppia di avviamento.
• Interruttore centrifugo o relè PTC: Disconnette l'avvolgimento di avviamento una volta che il motore raggiunge circa il 75–80% della velocità sincrona. Il guasto di questo interruttore - che rimanga aperto (il motore non si avvia) o che rimanga chiuso (l'avvolgimento di avvio si surriscalda e si brucia) - è uno dei guasti più frequenti dei motori monofase.

Inversione della rotazione del motore

Per invertire il senso di rotazione di un motore trifase è necessario scambiare due qualsiasi delle tre fasi di alimentazione sui terminali del motore, ad esempio scambiando i collegamenti su U1 e V1. Ciò inverte la direzione del campo magnetico rotante e di conseguenza il rotore. Per i motori monofase l'inversione si ottiene scambiando i collegamenti dell'avvolgimento di avviamento rispetto all'avvolgimento principale; alcuni motori forniscono contrassegni dei terminali dedicati a questo scopo, mentre altri richiedono una riconnessione interna.

Messa a terra e protezione da sovraccarico

Ogni installazione di motore CA deve includere a collegamento di terra di protezione (PE). collegato al telaio del motore, collegato alla terra di alimentazione sulla morsettiera. Inoltre, una valutazione adeguata relè termico oppure nel circuito di alimentazione deve essere installato un relè elettronico di protezione del motore, impostato sulla corrente nominale a pieno carico (FLC) del motore. La protezione da sovraccarico è la difesa principale contro la modalità di guasto del motore più comune: sovracorrente prolungata da sovraccarico meccanico, ventilazione monofase o limitata che aumenta la temperatura dell'avvolgimento oltre il limite della classe di isolamento.