Come ridurre il coefficiente di spunto del motore asincrono
Il coefficiente di spunto di un motore asincrono è il rapporto tra la corrente richiesta dal motore durante l’avviamento e quella assorbita durante il funzionamento nominale. Valori elevati di questo coefficiente possono causare problemi alla rete elettrica, come cadute di tensione, e sollecitazioni meccaniche sui componenti del motore o semplicemente l’impossibilità di avviare il motore quando la fonte di energia elettrica ha una potenza limitata, come nel caso di gruppi elettrogeni ed UPS. Esistono diverse tecniche per ridurre questo coefficiente, ognuna adatta a specifiche applicazioni e tipologie di carico.
Avviamento diretto
L’avviamento diretto è il metodo più semplice e comunemente utilizzato per avviare un motore asincrono. Consiste nel collegare il motore direttamente alla rete attraverso un contattore e un relè termico o elettronico per la protezione da sovraccarico. Tuttavia, questo approccio comporta una corrente di spunto molto elevata, generalmente pari a 5-8 volte la corrente nominale, e in alcuni casi anche superiore. Questo può stressare sia il motore che la rete di alimentazione.
L’avviamento diretto è adatto principalmente per motori di piccola potenza o in situazioni in cui la rete è in grado di gestire i picchi di corrente senza problemi. Nonostante la semplicità e i costi contenuti, l’elevato coefficiente di spunto rappresenta il principale limite di questo metodo.
Avviamento con aumento della resistenza del rotore
Per ridurre la corrente di avviamento nei motori asincroni, specialmente quelli con rotore avvolto, è possibile introdurre resistenze aggiuntive nel circuito del rotore durante la fase di avviamento. Questo approccio comporta due principali vantaggi:
- Resistenze di avviamento: Inserendo reostati, la resistenza nel circuito del rotore aumenta temporaneamente. Ciò consente di ridurre la corrente di avviamento e migliorare la coppia di avviamento. Una volta raggiunta la velocità nominale, le resistenze vengono escluse, permettendo al motore di operare con il massimo rendimento.
- Rotori a doppia gabbia o barre alte: Questi tipi di rotori, grazie alla loro configurazione, offrono una resistenza elevata durante l’avviamento e una resistenza ridotta durante il funzionamento nominale. Questo comportamento migliora la gestione della corrente di spunto senza compromettere l’efficienza.
Questo metodo è particolarmente indicato per applicazioni che richiedono una coppia elevata all’avviamento, come gru o laminatoi.
Avviamento stella-triangolo
L’avviamento stella-triangolo è uno dei metodi più diffusi per ridurre la corrente di spunto nei motori asincroni trifase. Esso prevede l’uso di tre contattori, un relè di sovraccarico e un timer per regolare il tempo di transizione tra le configurazioni stella e triangolo.
Inizialmente, il motore viene avviato in configurazione stella. In questa fase, la tensione applicata alle fasi del motore è ridotta di un fattore pari a , il che comporta una riduzione della corrente di linea a un terzo di quella necessaria per l’avviamento in configurazione triangolo. Anche la coppia di avviamento diminuisce di un fattore 3, essendo proporzionale al quadrato della tensione.
Quando il motore raggiunge circa l’80-85% della velocità nominale, il sistema commuta alla configurazione triangolo, consentendo al motore di raggiungere la piena velocità e coppia nominale. Tuttavia, questa transizione può causare un picco di corrente, che in alcuni casi può superare quello dell’avviamento diretto. Inoltre, se il carico iniziale è troppo elevato, il motore potrebbe non riuscire a completare l’avviamento.
Questo metodo è efficace per carichi che richiedono una bassa coppia iniziale, come pompe e ventilatori, ma non è consigliabile per carichi con coppia elevata all’avviamento.
Avviamento con Soft Starter (a tensione ridotta)
La corrente di avviamento può essere ridotta diminuendo la tensione applicata al motore nella fase iniziale. Questo approccio comporta una riduzione proporzionale della corrente di avviamento, ma anche una diminuzione della coppia motrice, che si riduce con il quadrato della tensione. Per attuare questa regolazione si utilizza un dispositivo chiamato soft-starter, basato su tiristori controllati.
Durante l’avviamento, il soft-starter riduce progressivamente la tensione applicata al motore, consentendo alla macchina di accelerare gradualmente. Una volta che il motore raggiunge la velocità nominale, il dispositivo permette il passaggio della tensione completa alla macchina. Questo sistema è particolarmente utile per ridurre le sollecitazioni meccaniche e gli impatti sulla rete elettrica.
Oltre all’avviamento, i soft-starter sono utili per una “fermata soft”, che evita bruschi arresti che potrebbero causare problemi, ad esempio il colpo d’ariete nelle pompe o arresti troppo rapidi nei nastri trasportatori. Questo metodo è più economico rispetto all’impiego di inverter, ma consente solo variazioni limitate di velocità, rendendolo ideale per applicazioni in cui queste variazioni non sono critiche.
Avviamento con inverter (a frequenza ridotta)
L’avviamento a frequenza ridotta si realizza mediante l’utilizzo di un convertitore di frequenza, comunemente noto come inverter. Questo dispositivo è composto da due sezioni principali: una prima parte che converte la corrente alternata (AC) a frequenza fissa in corrente continua (DC), e una seconda parte che riconverte la DC in AC a una frequenza variabile, generalmente compresa tra 0 e 250 Hz.
La regolazione della frequenza permette di variare la velocità del motore asincrono, agendo sulla relazione fondamentale. Diminuendo la frequenza, il flusso magnetico tenderebbe ad aumentare se la tensione restasse costante, causando la saturazione del nucleo magnetico e un incremento delle perdite. Per evitare questo fenomeno, si adottano due principali modalità di regolazione:
- Regolazione a flusso costante (f < fn):
Per frequenze inferiori alla nominale, si riducono proporzionalmente sia la tensione che la frequenza, mantenendo costante il rapporto V/f, proporzionale al flusso. Questo metodo permette di mantenere costante la coppia massima applicabile senza superare la corrente nominale. - Regolazione a potenza costante (f > fn):
Per frequenze superiori alla nominale, si mantiene costante la tensione, riducendo proporzionalmente il flusso magnetico. In questa condizione, la coppia massima decresce con il quadrato della frequenza, mentre la potenza rimane costante, entro certi limiti. Questo comportamento giustifica la definizione di funzionamento a potenza costante.
L’inverter consente un controllo preciso della velocità e della coppia del motore, rendendolo ideale per applicazioni in cui è richiesta una regolazione continua della velocità, come nei sistemi di pompaggio, trasporto su nastro e macchine utensili. Inoltre, grazie alla regolazione a V/f costante, è possibile avviare il motore anche sotto carico, con una corrente di spunto contenuta e simile alla corrente nominale.
Rispetto ad altre tecniche di avviamento, l’inverter permette escursioni di velocità molto ampie e riduce le sollecitazioni meccaniche ed elettriche durante l’avviamento e l’arresto del motore. Tuttavia, il costo dell’inverter può risultare elevato, soprattutto se utilizzato esclusivamente per le fasi di avviamento e fermata.