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Motori elettrici

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Motori elettrici: tecnologie principali

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Motori elettrici

  1. 1. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione Impianti - Prof. Pasquale Alba 2015 I MOTORI ELETTRICI Motori Asincroni Motori Sincroni Mono e Trifase Motori universali a spazzole Motori DC a magneti permanenti e spazzole 1 Pro manuscripto - Dispensa didattica - UDA Istituto Professionale per l'industria e l'Artigianato "Salvo D’Acquisto" Bagheria STAMPA SOLO SE NECESSARIO
  2. 2. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI Definizione e Classificazione 2 Sincroni AsincroniAlternata Continua Universali Stepper Magneti permanenti } Il motore è una macchina elettrica che converte energia elettrica in meccanica Hanno contatti striscianti (spazzole e collettore) tranne quelli brushless con sensore Hall e commutazione a transistors Unipolari Bipolari
  3. 3. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI • I motori asincroni funzionano a corrente alternata • Sono i motori più diffusi al mondo (elettropompe, compressori di frigoriferi e clima, ascensori, montacarichi etc.) • Il n.di giri non è uguale al numero di cicli della corrente ma è presente uno scorrimento in lieve ritardo del rotore rispetto al campo magnetico prodotto dallo statore: il numero di giri al secondo è di poco inferiore alla frequenza della alimentazione diviso il numero di coppie polari: Ns ≲ ƒ/Ncp. • Lo scorrimento è proporzionale alla coppia resistente. • Esistono nelle versioni mono e trifase • Sono costituiti da uno statore costituito da un pacco lamellare con avvolgimenti elettrici inseriti in delle cave e un rotore a gabbia di scoiattolo 3
  4. 4. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI 4
  5. 5. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI 5
  6. 6. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI 6 ROTORE DI UN MOTORE ASINCRONO Principio di funzionamento: il rotore è costituito da spire conduttrici chiuse in cortocircuito che cercano di mantenere costante il flusso magnetico che passa attraverso di esse. Se immerse in un campo magnetico rotante, esse cercano di inseguirlo. Nella gabbia di scoiattolo scorre una corrente proporzionale alla coppia motrice resistente.
  7. 7. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - CURVA DI COPPIA 7 Il diagramma caratteristico 
 (N° giri - Coppia motrice) mostra che il motore ha una coppia massima CM ad un n° giri critico NCR. Se il motore scende sotto questo n° giri la coppia si riduce e il motore può andare a bloccarsi (dipende dal tipo di carico meccanico). Le tabelle tipiche dànno questi valori. Cs è la coppia di spunto.
  8. 8. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI 8 Gli avvolgimenti statorici sono colorati a seconda della fase. Essi producono un campo magnetico rotante. Quelli nelle cave del rotore sono le barrette in alluminio pressofuse dentro. Queste inseguono il campo magnetico rotante prodotto dallo statore.
  9. 9. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE 9 Statore trifase e campo magnetico rotante.
  10. 10. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE - MORSETTI 10 MORSETTIERA DI UN MOTORE ASINCRONO TRIFASE CON I DUE POSSIBILI METODI DI COLLEGAMENTO A STELLA E A TRIANGOLO
  11. 11. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI MONOFASE 11 Statore monofase e campo magnetico rotante. correnti
  12. 12. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI MONOFASE 12 Per creare un campo magnetico rotante con una sola fase si usa un artificio. Si usano due avvolgimenti statorici angolati di 90° e alimentati con due correnti anch’esse sfasate di circa 90° elettrici mediante un condensatore collegato in serie ad una di esse. Su L2 passa una corrente in anticipo rispetto a quella di L1. L2 ha di solito una resistenza maggiore di L1. Per invertire il senso di rotazione, basta invertire i poli di uno degli avvolgimenti.
  13. 13. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI MONOFASE 13 Possibili guasti: 1. Cuscinetti sgabbiati 2. C guasto in c.a. ☞multimetro su portata 2 o 20 MΩ 3. C guasto in c.c. ☞multimetro su portata test continuità 4. L1 guasto in c.a. (idem) 5. L1 guasto a bassa impedenza con parziale c.c. ☞surrisc. 6. L1 guasto in c.c. ☞multimetro su portata 200Ω 7. Idem con L2 8. Rottura isolamento (guasto verso massa ossia verso la carcassa metallica): ☞multimetro su 2MΩ o 20MΩ 9. Interruzione occulta della gabbia.
  14. 14. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE ADATTATI A FUNZIONARE IN MONOFASE 14 Anche qui si può usare l’artificio del condensatore C per creare un campo magnetico rotante con una sola fase in un motore trifase. L3 ha la corrente in anticipo. L1 e L2 si possono collegare in serie o in parallelo.
  15. 15. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE ADATTATI A FUNZIONARE IN MONOFASE 15 Altri possibili collegamenti.
  16. 16. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE ADATTATI A FUNZIONARE IN MONOFASE 16 Altri possibili collegamenti.
  17. 17. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI TRIFASE TELEINVERTITORE 17 Per invertire la marcia basta invertire due fasi qualsiasi. Questo viene eseguito normalmente con contattori/ teleruttori/relè. Però devono essere interbloccati per evitare cortocircuiti. Normalmente si usa un interblocco meccanico. Inoltre conviene mettere un timer tra gli azionamenti di K1 e di K2.
  18. 18. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 18 All’avviamento partendo con rotore fermo, i motori asincroni assorbono una corrente molto elevata intorno a 6 ÷ 7 volte la corrente massima nominale a regime. Questo parametro è indicato come Is / In ≈ 7 Questo è dovuto al fatto che il rotore è come il secondario in cortocircuito di un trasformatore. Per ridurre il picco di corrente di avviamento si usa per i grossi motori uno dei metodi seguenti: • Avviamento con induttanze • Avviamento con autotrasformatore • Avviamento stella-triangolo Y-∆: cioè con collegamento a stella iniziale e successiva commutazione a triangolo comandata da un timer (circa 5 ÷10 s) (usato per motori fino a 20kW) • Avviamento con softstarter a tiristori • Avviamento con convertitore statico (chiamato anche “inverter”)
  19. 19. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 19 Avviamento con autotrasformatore. Sequenza: prima si chiude T1 e T2. Poi si aprono, si chiude T3 e infine T2. La presa dell’autotrasformatore è centrale quindi V/2 quindi la coppia e la corrente sono ridotte a 1/2 e la potenza ridotta ad 1/4.
  20. 20. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 20 Avviamento Y-∆: usato fino a 20kW L’avviamento avviene a stella (Y) [Y chiuso e D aperto]; dopo un certo numero di secondi un timer commuta a triangolo (∆) [Y si apre e D si chiude].
  21. 21. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 21 Avviamento con softstarter.
  22. 22. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 22 Avviamento con softstarter.
  23. 23. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 23 Avviamento con softstarter. Il softstarter è costituito da 3 tiristori (TRIAC) collegati spesso a triangolo e in serie a ciascun avvolgimento (a differenza dello schema a sinistra). Spesso si aggiunge un contattore di bypass che viene chiuso dopo l’avviamento.
  24. 24. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 24 3 tiristori (TRIAC) collegati a Y a sx e a ∆ a dx in serie a ciascun avvolgimento
  25. 25. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - AVVIAMENTO 25 Contattore di bypass
  26. 26. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI ASINCRONI - ESERCITAZIONE 26 Calcolare la corrente nominale In di un motore a partire dai dati di targa: P=20kW (potenza meccanica netta disponibile all’albero) U=400V cos𝝓=0,75 efficienza 𝛈=0,93 𝛈=P/Pi il rendimento è definito come rapporto tra potenza in ingresso Pi e potenza netta nominale P disponibile all’albero del motore. Quindi: Pi = P/𝛈 cioè la potenza in ingresso è maggiore di quella in uscita P a causa del rendimento. Pi = 20kW/0,93= 21,5 kW (potenza assorbita) I = Pi / (√3 U cos𝝓) = 21500 / ( √3 * 400V * 0,75 ) = 41,38A Svolgimento:
  27. 27. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 Conversione kW⇄HP 27 HP = Horse-Power = CV = Cavalli Vapore 1 kW = 1,34 CV 1 CV = 0,735 kW Una funivia ha un motore elettrico trifase di potenza 1500 HP. Calcolare la sua potenza espressa in kW. Sapendo che l’efficienza 𝛈=0,96 calcolare la potenza elettrica in ingresso Pi. Sapendo che il f.d.p. cos𝝓=0,8 e che la tensione di rete è U=690V calcolare la corrente assorbita. Esercitazione:
  28. 28. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI SINCRONI 28
  29. 29. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI SINCRONI • sono costituiti da uno statore con avvolgimenti e un rotore a magneti permanenti (o con avvolgimento di eccitazione collegato mediante contatti striscianti (spazzole)) • usati in: veicoli elettrici, motori delle navi, ascensori, azionamenti di macchine CNC (con encoder) e dove è necessario un’elevata coppia di spunto in un volume ridotto. 29
  30. 30. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI SINCRONI • I motori sincroni funzionano a corrente alternata • il n.di giri è perfettamente sincrono cioè uguale al numero di cicli della corrente senza scorrimento • hanno bisogno di un avviamento preliminare (eseguito con un motore di altro tipo che li porta vicino alla velocità di sincronismo) oppure un azionamento elettronico che analizza la posizione attuale del rotore e pilota le correnti negli avvolgimenti statorici producendo un campo magnetico rotante che segue il rotore e gli fa compiere rampe di accelerazione/decelerazione. 30
  31. 31. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI SINCRONI 31
  32. 32. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI SINCRONI 32
  33. 33. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI UNIVERSALI 33
  34. 34. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI UNIVERSALI • funzionano a corrente alternata o continua • il n.di giri non è legato alla frequenza ma dipende da un bilancio tra tensione di alimentazione e coppia resistente applicata (inclusi attriti), perdite nel rame, nel ferro, induttanze degli avvolgimenti • se alimentati in alternata sono solo monofase • sono costituiti da uno statore con avvolgimenti e un rotore anche esso con avvolgimenti collettore e contatti striscianti (spazzole) • esempi di impiego: macchine utensili portatili (trapani, smerigliatrici,), apparecchi da cucina (frullatori) impastatrici (non professionali). Dove serve elevata potenza in piccolo volume. • aspettativa di vita e affidabilità non alta (usura contatti striscianti e collettore) 34
  35. 35. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI UNIVERSALI 35 Statore Contatti striscianti Collettore Rotore
  36. 36. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI IN CONTINUA A MAGNETI PERMANENTI • funzionano solo a corrente continua • il n.di giri non è legato alla frequenza ma dipende da un bilancio tra tensione di alimentazione e coppia resistente applicata (inclusi attriti), perdite nel rame, nel ferro, induttanze degli avvolgimenti. Facilità di variare coppia/velocità mediante un controllo Pulse Width Modulation (PWM) o a reostati (obsoleto). • sono costituiti da uno statore a magneti permanenti senza avvolgimenti e un rotore con avvolgimenti collettore e contatti striscianti (spazzole) • esempi di impiego: macchine utensili portatili. Dove serve la possibilità di variare la velocità e/o la coppia motrice facilmente (trazione ferroviaria, tram). • aspettativa di vita e affidabilità non alta (usura contatti striscianti e collettore) 36
  37. 37. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI CONTINUA A MAGNETI PERMANENTI 37
  38. 38. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione Manutenzione - Prof. Pasquale Alba 2015 MOTORI IN CONTINUA CON SENSORE AD EFFETTO HALL • funzionano a corrente continua ma sono brushless • sono costituiti da un rotore a magneti permanenti (che può essere interno ma anche esterno a campana) e avvolgimenti elettrici commutati da transistor comandati da un sensore di Hall che sente la posizione del rotore • il n.di giri dipende da un bilancio tra tensione di alimentazione e coppia resistente applicata (inclusi attriti), perdite nel rame, nel ferro, induttanze degli avvolgimenti • esempi di impiego: ventoline di raffreddamento PC • aspettativa di vita e affidabilità alta. Guasti: cuscinetti secchi e/o rumorosi. 38
  39. 39. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba Credits Riconoscimenti Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche: • corso "Elettrotecnica ed Automazione" nell'Istituto Tecnico Industriale "G. Galilei" di Mirandola (MO) http://www.galileimirandola.it a cura del prof. Egidio Rezzaghi. • Lovato Electric • Schneider Electric • Siemens • plcforum.it • elektroyou.it • tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui riportate 39 La presente dispensa a scopo didattico contiene sia contenuto originale dell’autore che contenuti reperiti su Internet. Tutti diritti sui contenuti reperiti, appartengono, ove coperti da copyright, ai rispettivi proprietari. Ove si ritenga esistano violazioni di copyright, imprecisioni o errori si prega di segnalarli a: ing.pasqualealba@gmail.com . Questo materiale può essere diffuso citando la fonte. In caso si voglia stampare si consiglia di usare un layout con 4 diapositive per ogni pagina. Le informazioni qui contenute sono ritenute accurate e hanno scopo di studio senza fini di lucro, tuttavia l’autore non esclude che siano presenti errori o imprecisioni e declina ogni responsabilità diretta o indiretta per danni a persone o cose derivanti da un eventuale loro uso a scopo professionale; chi ne fa uso se ne assume pienamente la responsabilità.

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