Spiegazione dei motori sincroni: principio di funzionamento, tipi e usi

Motori elettrici sincroni: generalità

Motori elettrici sincroni sono motori CA in cui il rotore gira esattamente alla stessa velocità del campo magnetico rotante prodotto dallo statore - quindi "sincrono" - anziché restare leggermente indietro, come accade nei più comuni motori a induzione (asincroni). Questo preciso adattamento della velocità è ottenuto perché il rotore stesso è magnetizzato , tramite magneti permanenti, un avvolgimento di campo eccitato esternamente o un altro metodo di magnetizzazione, facendolo bloccare al passo e ruotare in esatta sincronizzazione con il campo magnetico rotante dello statore.

Poiché la velocità del rotore è direttamente legata alla frequenza di alimentazione CA e al numero di poli del motore, i motori sincroni offrono un controllo della velocità estremamente preciso e stabile che non varia con le variazioni del carico come fa la velocità del motore a induzione, una proprietà che ne guida l'uso in applicazioni in cui la velocità esatta e costante conta tanto quanto l'erogazione di potenza pura.

Principio di funzionamento del motore sincrono

Gli avvolgimenti dello statore, energizzati dall'alimentazione CA, generano un campo magnetico rotante che spazia attorno al motore ad una velocità determinata dalla frequenza di alimentazione e dal numero di poli dello statore. Il campo magnetico del rotore si blocca su questo campo dello statore rotante , essendo essenzialmente "trascinato" dall'attrazione magnetica in modo che il rotore giri esattamente alla stessa velocità di rotazione del campo dello statore stesso - questa velocità è chiamata velocità sincrona e rimane costante indipendentemente dal carico, a condizione che il motore rimanga nella sua capacità di mantenere quel blocco.

Poiché il rotore richiede il proprio campo magnetico per agganciarsi al campo rotante dello statore, i motori sincroni (diversi dai modelli a magneti permanenti ad avvio automatico) necessitano in genere di un metodo di avviamento esterno, poiché un rotore magnetizzato stazionario non sviluppa naturalmente una coppia di avviamento contro un campo rotante come fa il rotore a corrente indotta di un motore a induzione.

Tipi di motori sincroni

Motore sincrono a magneti permanenti (PMSM)

Il design PMSM incorpora o monta in superficie magneti permanenti ad alta resistenza (comunemente magneti di terre rare come il neodimio) direttamente sul rotore, eliminando la necessità di avvolgimenti del rotore, anelli collettori o un'alimentazione di eccitazione esterna richiesta dai motori sincroni a rotore avvolto. Questo design migliora significativamente l'efficienza , poiché non vi è alcuna perdita resistiva negli avvolgimenti del rotore e non è necessaria potenza di eccitazione, riducendo al tempo stesso i requisiti di manutenzione rimuovendo l'anello collettore e il gruppo spazzole da cui dipendono i progetti del rotore avvolto.

I PMSM sono diventati il ​​tipo di motore sincrono dominante nelle applicazioni per veicoli industriali ed elettrici ad alta efficienza proprio per questo vantaggio in termini di efficienza e affidabilità, sebbene il costo e, in alcuni casi, la disponibilità di materiale magnetico in terre rare rimangano una considerazione pratica nella progettazione e nell'approvvigionamento dei PMSM.

Fondamenti di motore sincrono CA

Tutti i motori sincroni sono, per definizione, motori CA, poiché il meccanismo di sincronizzazione dipende specificamente dall'aggancio della velocità del rotore al campo rotante prodotto da un'alimentazione CA. La velocità sincrona viene calcolata direttamente dalla frequenza di alimentazione CA e dal numero di poli del motore — un motore collegato a un'alimentazione CA a frequenza fissa funziona a una velocità fissa determinata interamente da questa relazione, che è la base per l'utilizzo dei motori sincroni in applicazioni a velocità costante e perché le applicazioni con motori sincroni a velocità variabile richiedono un azionamento a frequenza variabile per modificare la frequenza di alimentazione rilevata dal motore.

Applicazioni di motori sincroni

• Attrezzature per processi industriali che richiedono una velocità precisa e costante indipendentemente dalla variazione del carico: compressori, pompe di grandi dimensioni e azionamenti di linee di processo
• Correzione del fattore di potenza negli impianti elettrici industriali, che utilizzano motori sincroni sovraeccitati (condensatori sincroni) per fornire potenza reattiva
• Veicoli elettrici e trasmissioni ibride, dove i design PMSM offrono alta efficienza e controllo preciso della coppia
• Robotica e controllo del movimento di precisione, dove la velocità esatta e prevedibile e la risposta alla posizione contano
• Orologi, timer e strumentazione storicamente basato sulla relazione fissa dei motori sincroni tra frequenza di alimentazione e velocità di rotazione
• Grandi applicazioni di generazione di energia, dove le macchine sincrone fungono anche da generatori legati alla frequenza di rete

Motori sincroni per applicazioni industriali

Gli impianti industriali preferiscono i motori sincroni in particolare nelle applicazioni in cui la stabilità della velocità indipendente dal carico influisce direttamente sulla qualità del prodotto o sulla coerenza del processo: l'azionamento di una cartiera o un grande compressore che funziona a una velocità fissata con precisione evita la sottile variazione di velocità sotto carico che un motore a induzione presenterebbe, il che può avere importanza in modo significativo per i processi sensibili al controllo esatto della velocità. Anche i motori sincroni di grandi dimensioni vengono spesso utilizzati specificatamente per la loro capacità di correzione del fattore di potenza , poiché un motore sincrono sovraeccitato può fornire potenza reattiva al sistema elettrico, compensando il fattore di potenza ritardato che spesso creano i grandi carichi dei motori a induzione in altre parti della struttura, fornendo il duplice vantaggio di azionare il carico meccanico e migliorare anche il fattore di potenza complessivo della struttura.

Motori elettrici ad alta efficienza e tecnologia dei motori ad alta efficienza energetica

I motori sincroni, in particolare i design PMSM, sono all'avanguardia nella tecnologia dei motori ad alta efficienza perché eliminano le perdite resistive del rotore (perdite per scorrimento) inerenti al funzionamento del motore a induzione: la corrente del rotore di un motore a induzione è indotta dalla differenza tra la velocità del campo dello statore e la velocità del rotore e la corrente indotta genera intrinsecamente una perdita di calore resistivo che il rotore magnetizzato indipendentemente di un motore sincrono evita completamente. Questo vantaggio in termini di efficienza aumenta in condizioni di carico parziale , dove i progetti PMSM spesso mantengono un'efficienza più elevata rispetto ai motori a induzione, la cui efficienza in genere diminuisce in modo più significativo quando funzionano al di sotto del pieno carico nominale.

Gli standard normativi sull'efficienza in molte regioni hanno accelerato l'adozione della tecnologia dei motori sincroni in applicazioni precedentemente dominate dai motori a induzione, poiché soddisfare requisiti di efficienza sempre più rigorosi è spesso più semplice con un progetto PMSM che con miglioramenti incrementali alla progettazione del solo motore a induzione.

Applicazioni di motori a velocità costante

Il funzionamento a velocità costante è una delle caratteristiche pratiche più distintive dei motori sincroni: poiché la velocità del rotore si blocca direttamente sulla frequenza di alimentazione anziché derivare dal carico come avviene lo scorrimento dei motori a induzione, i motori sincroni forniscono una velocità realmente costante su tutto l'intervallo di carico fino al punto di estrazione. Ciò li rende la scelta naturale per le applicazioni in cui la coerenza della velocità influisce direttamente sulla qualità dell'output , come la lavorazione tessile, le macchine da stampa e alcune applicazioni dei mandrini di macchine utensili, dove anche piccole variazioni di velocità sotto variazioni di carico potrebbero introdurre incoerenze nel prodotto finito.

Vantaggi del motore sincrono

• Controllo della velocità preciso e indipendente dal carico: la velocità rimane fissa alla frequenza di alimentazione indipendentemente dal carico, fino al limite della coppia di estrazione
• Elevata efficienza, in particolare nei modelli PMSM: evita le perdite resistive del rotore inerenti ai motori a induzione
• Correzione del fattore di potenza capability: i motori sincroni sovraeccitati possono fornire potenza reattiva al sistema elettrico
• Ottime prestazioni a carico parziale: I progetti PMSM spesso mantengono l'efficienza meglio dei motori a induzione in condizioni di carico ridotto
• Manutenzione ridotta nei progetti PMSM: nessun avvolgimento del rotore, anelli collettori o spazzole da indossare o sottoporre a manutenzione

Questi vantaggi comportano compromessi che vale la pena valutare rispetto ai requisiti dell'applicazione: i motori sincroni (diversi dai tipi ad avviamento automatico) richiedono generalmente disposizioni di avviamento più complesse o controllo dell'azionamento a frequenza variabile rispetto a un semplice motore a induzione e i progetti PMSM comportano costi iniziali di materiale più elevati a causa del contenuto di magneti permanenti, il che significa che i vantaggi in termini di efficienza e precisione devono giustificare tale investimento aggiuntivo per l'applicazione specifica in questione.