Avviamento stella-triangolo di un motore asincrono …...Avviamento stella triangolo di un motore...

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Avviamento stella-triangolo di un motore asincrono trifase Il motore asincrono trifase viene alimentato da un sistema di tensioni trifasi cioè tre tensioni che sono sfasate tra di loro di 120°. La tensione di alimentazione del sistema trifase è di 400 V in valore efficace, alla frequenza f = 50 Hz. La parte fissa del motore è detta statore;la parte che può ruotare è detta rotore. Sulla parte fissa del motore, lo statore, si trovano tre bobine doppie, le quali vengono disposte l’una rispetto all’altra di 120°. Tali bobine vengono alimentate dal sistema trifase di tensioni; vengono, quindi, percorse da una certa corrente, e si ha luogo ad un campo magnetico variabile, generato ciascuno dalle tre bobine. Nella zona compresa tra le tre bobine il campo magnetico sarà la somma dei tre campi magnetici delle tre bobine. Ma poiché le bobine sono collegate sullo statore con un angolo meccanico pari a 120° ed inoltre il sistema trifase di tensioni è anche esso sfasato dal punto di vista elettrico di un angolo pari a 120° elettrici, il campo magnetico risultante non sarà fisso ma sarà variabile; questo campo magnetico ruota attorno all’asse del motore con una frequenza fissa: f =50 Hz Questo campo magnetico si dice campo magnetico rotante. Il rotore non ruota a una velocità costante, cioè la velocità di sincronismo, ma rallenta al variare del carico; per cui il motore non è detto sincrono ma asincrono, cioè non rispetta la velocità di sincronismo imposta dallo statore. Infatti, la velocità di sincronismo del campo magnetico rotante di statore è, nel caso di una sola coppia polare di rotore: ns = 60 f dove ns è il numero di giri al minuto, cioè la velocità di sincronismo, mentre f è la frequenza. Il rotore ruota una velocità minore di ns; indichiamo con nr la velocità del rotore. Consideriamo la differenza: ns - nr cioè la differenza tra la velocità del campo magnetico rotante di statore e la velocità del rotore, otteniamo allora, il seguente rapporto: s=ns - nr/ ns dove il rapporto s è detto scorrimento, a significare che il rotore scorre, cioè perde giri rispetto allo statore. Lo scorrimento s è un numero adimensionale e varia da 0 a 1. Se s fosse uguale a 0 vorrebbe dire che il rotore sarebbe in perfetto sincronismo se, invece, lo scorrimento s è uguale a 1 vuol dire che il rotore è fermo. La caratteristica meccanica rappresenta l'andamento della coppia motrice C in funzione della velocità di rotazione del rotore nr caratteristica meccanica del motore asincrono

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Avviamento stella-triangolo di un motore asincrono trifase Il motore asincrono trifase viene alimentato da un sistema di tensioni trifasi cioè tre tensioni che

sono sfasate tra di loro di 120°.

La tensione di alimentazione del sistema trifase è di 400 V in valore efficace, alla frequenza f = 50

Hz.

La parte fissa del motore è detta statore;la parte che può ruotare è detta rotore.

Sulla parte fissa del motore, lo statore, si trovano tre bobine doppie, le quali vengono disposte l’una

rispetto all’altra di 120°.

Tali bobine vengono alimentate dal sistema trifase di tensioni; vengono, quindi, percorse da una

certa corrente, e si ha luogo ad un campo magnetico variabile, generato ciascuno dalle tre bobine.

Nella zona compresa tra le tre bobine il campo magnetico sarà la somma dei tre campi magnetici

delle tre bobine. Ma poiché le bobine sono collegate sullo statore con un angolo meccanico pari a

120° ed inoltre il sistema trifase di tensioni è anche esso sfasato dal punto di vista elettrico di un

angolo

pari a 120° elettrici, il campo magnetico risultante non sarà fisso ma sarà variabile; questo campo

magnetico ruota attorno all’asse del motore con una frequenza fissa:

f =50 Hz

Questo campo magnetico si dice campo magnetico rotante. Il rotore non ruota a una velocità costante, cioè la velocità di sincronismo, ma rallenta al variare del carico; per cui il motore non è detto sincrono ma asincrono, cioè non rispetta la velocità di sincronismo imposta dallo statore.

Infatti, la velocità di sincronismo del campo magnetico rotante di statore è, nel caso di una sola

coppia polare di rotore:

ns = 60 f dove ns è il numero di giri al minuto, cioè la velocità di sincronismo, mentre f è la frequenza.

Il rotore ruota una velocità minore di ns; indichiamo con nr la velocità del rotore.

Consideriamo la differenza:

ns - nr

cioè la differenza tra la velocità del campo magnetico rotante di statore e la velocità del rotore,

otteniamo allora, il seguente rapporto:

s=ns - nr/ ns dove il rapporto s è detto scorrimento, a significare che il rotore scorre, cioè perde giri rispetto allo

statore. Lo scorrimento s è un numero adimensionale e varia da 0 a 1. Se s fosse uguale a 0 vorrebbe dire che il rotore sarebbe in perfetto sincronismo se, invece, lo scorrimento s è uguale a 1 vuol dire che il rotore è fermo.

La caratteristica meccanica rappresenta l'andamento della coppia motrice C in funzione della

velocità di rotazione del rotore nr caratteristica meccanica del motore asincrono

caratteristica meccanica del motore asincrono La caratteristica meccanica si può anche rappresentare in funzione dello scorrimento s; ricordiamo che scorrimento s uguale a 1 vuol dire motore fermo; scorrimento uguale a zero vuol dire che la velocità è la massima, quindi quasi uguale a quella di sincronismo.

caratteristica meccanica del motore asincrono

Questa caratteristica ci dice che quando il motore gira con velocità elevata, cioè prossima alla

velocità di sincronismo ns, la coppia è molto elevata; in tal caso lo scorrimento è quasi nullo.

Quando invece lo scorrimento aumenta e raggiunge il valore 1, la coppia motrice si riduce e il

motore rallenta; per cui occorre evitare che il motore funzioni nel tratto a-b, che è un tratto

instabile; infatti, in tale tratto se aumenta il carico meccanico il motore rallenta, cioè aumenta lo

scorrimento rispetto alla velocità di sincronismo, ma si riduce anche la coppia motrice, per cui il

motore non sarebbe in grado di aumentare la sua velocità ma si porta a fermarsi, in quanto la coppia

motrice si riduce. Invece il tratto 0-a è un tratto stabile; infatti all'aumentare del carico nel tratto 0-a è vero che aumenta lo scorrimento, e quindi il motore rallenta, ma aumenta pure la coppia motrice, per cui il motore asincrono è in grado di sopportare l'aumento di carico meccanico.

Dinamo tachimetrica

E' un trasduttore di velocità, che converte la velocità di rotazione di un dispositivo (generalmente un motore elettrico) in un segnale elettrico (in particolare una tensione continua). È formata da una dinamoaccoppiata meccanicamente all'albero rotante di cui si vuole misurare la velocità di rotazione.

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L'accoppiamento tra dinamo ed albero deve essere molto accurato affinché siano eliminati o ridotti gli errori nella misura. Le dinamo tachimetriche generano una tensione di uscita proporzionale al numero di giri

compiuti dall'albero. La relazione fisica ideale che lega tensione di uscita Vu con la velocità è la seguente:

Vu = k Ф n

dove: k è una costante propria della particolare dinamo tachimetrica considerata e dipende dalle soluzioni

costruttive scelte; Ф rappresenta il flusso magnetico costante all'interno della dinamo

tachimetrica; n rappresenta la velocità di rotazione espressa in giri/minuto. kФ è complessivamente la

costante tachimetrica.

Dal punto di vista grafico, se disponiamo su un sistema di riferimento cartesiano, sull'asse delle ascisse il

numero di giri n e sull'asse delle ordinate la tensione Vu otteniamo una retta. In realtà la dinamo

tachimetrica genera una tensione non perfettamente continua. La dinamo tachimetrica può essere comunque considerata un trasduttore lineare: infatti la sua precisione di misura è al massimo dell'ordine dell'uno per cento.

Di solito per generare il flusso magnetico Ф vengono utilizzati dei magneti permanenti nello statore (parte

fissa della dinamo tachimetrica). Nel caso in cui l'elettronica della dinamo sia in grado di analizzare la variazione di tensione in uscita rispetto all'intervallo di tempo in cui essa avviene, il dispositivo diventa un trasduttore di accelerazione.

Il difetto principale è costituito dalla presenza delle spazzole (inoltre cfr. il paragrafo Macchina a spazzole nella voce Macchina in corrente continua) le quali generano disturbi - in particolare in corrispondenza del loro passaggio sulle zone di isolamento del collettore - e ne riducono in modo significativo l'affidabilità in quanto si usurano. Questo trasduttore ha una scarsa risoluzione alle basse velocità.

Encoder

Gli encoder sono dispositivi ottico-elettronici utilizzati come trasduttori di posizione angolare e di velocità di rotazione di assi. Trovano applicazione negli azionamenti per macchine utensili, nei posizionamenti, nei motori in generale. Essenzialmente sono costituiti da un disco, solidale a un asse di rotazione, sulla periferia del quale sono ricavati per fotoincisione dei segmenti radiali, alternativamente trasparenti e opachi. A un lato del disco è collocato un fotodiodo che emette un pennello sottile di luce in direzione del fototransistore posizionato sul lato opposto del disco; la luce emessa dal fotodiodo raggiunge il fototransistore solamente quando un segmento trasparente vi si trova interposto. La rotazione del disco viene quindi tradotta in un treno di impulsi di conduzione trasmessi al fototransistore. Esistono fondamentalmente tre tipi di trasduttori digitali di spostamento rotazionale (ma anche traslazionale): tachimetrico, incrementale, assoluto. Essi si differenziano principalmente per il segnale che forniscono in uscita. ENCODER TACHIMETRICO L'encoder tachimetrico è costituito essenzialmente da un disco forato che ruota con il corpo di cui si vuole controllare la velocità, e da un generatore di segnale formato da un LED e un fotosensore allineati. La rotazione del disco del disco fa si che la luce emessa dal LED raggiunga il fotosensore quando uno dei fori si posiziona tra il LED e il fotosensore stessi. Il segnale d'uscita generato dal fotosensore sarà pertanto un treno d'impulsi, di frequenza proporzionale alla velocità di rotazione. Se il movimento avviene sempre nello stesso verso, un contatore digitale che conti gli impulsi è in grado di fornire l'entita dello spostamento rispetto ad una posizione di riferimento. Naturalmente una rotazione in verso opposto, producendo impulsi uguali ai precedenti, causerebbe una lettura di posizione del tutto errata; per questo motivo il tachimetro digitale può essere usato solo per misure di velocità oppure per misure di spostamento angolare in situazioni in cui il movimento non s'inverte.

Avviamento stella triangolo di un motore asincrono trifase Generalmente il collegamento triangolo è quello che corrisponde alla potenza nominale del motore. Spesso si usa, specie per i motori di grossa potenza, l'avviamentostella-triangolo. Alla partenza cioè gli avvolgimenti sonocollegati a stella. Questo per ridurre la corrente allo spunto.

L’avviamento Y-D è un tipo di avviamento a tensione ridotta e serve ad avviare il motore dolcemente senza strappi meccanici limitando le correnti durante l’avviamento. È adatto per i motori dotati di: a – Morsettiera con 6 morsetti e 6 conduttori di alimentazione al motore b – Coppia di avviamento elevata c – Doppia tensione nominale: es. 400V – Y / 230V – D, es. 690V – Y / 400V – D d – Tensione nominale con collegamento a triangolo corrispondente alla tensione

di rete. Collegando le armature del motore a stella esse sono sottoposte alla tensione stellata (230V), mentre collegandole a triangolo a quella concatenata (400V); intuitivamente l’assorbimento e la coppia saranno inferiori per il collegamento a stella. L’avviamento stella triangolo riduce la corrente di avviamento e la coppia di avviamento a valori pari al 33% (1/3) di quelli riscontrabili in un avviamento diretto. È un diverso modo di ridurre la tensione in avviamento rispetto a quello adottato sui motori alimentati con 3 conduttori per i quali la riduzione avviene interponendo tra linea e motore una resistenza o una reattanza che provoca una caduta di tensione. Nel caso degli avviatori ad autotrasformatore si fornisce sempre una tensione ridotta, mentre per gli avviatori statici la riduzione avviene parzializzando l’onda di tensione a mezzo tiristori.

Circuito di alimentazione:

Sono presenti tre contattori, rispettivamente di linea, di triangolo, di stella, e un relè termico posto a monte del contattore di linea.

La sequenza di avviamento è la seguente:

1- Kl e Ks si chiudono contemporaneamente – Il motore è collegato a stella 2- dopo 5s si apre Ks – Il motore non risulta alimentato e gira per inerzia 3- dopo 50ms si chiude Kt – Il motore è collegato a triangolo e si porta a regime

Una adeguata scelta del temporizzatore è fondamentale per l’avviatore stella triangolo. La funzione del temporizzatore è quella di determinare sia il tempo di accelerazione del motore che il tempo di transizione (pausa) nella commutazione da stella a triangolo.

Il tempo di accelerazione va regolato a un valore corrispondente al tempo necessario al quasi raggiungimento della velocità nominale del motore. Una regolazione troppo bassa provoca al motore un avviamento irregolare e durante la commutazione si avrà una corrente equivalente all’avviamento diretto.

Il tempo di transizione, regolato mediamente a 50ms, consente l’estinzione dell’arco elettrico sul contattore di stella e impedisce che, con la chiusura del contattore di triangolo, si verifichi un corto circuito sia pure limitato dalla resistenza d’arco. Un tempo superiore provoca la decelerazione del motore con conseguenti picchi di corrente in commutazione.

Il tempo di transizione può risultare inutile quando si impiegano contattori di grossa taglia con tempo di chiusura elevati e può essere addirittura dannoso per quei motori (es. per pompe sommerse) caratterizzati da una rapidissima accelerazione (1s circa) dove un tempo di commutazione lungo provoca un riavviamento diretto che annulla i benefici dell’avviatore a tensione ridotta.

Ad esempio, un motore con dati di targa 220/380 V, se viene alimentato dalla linea trifase a 220V

deve avere il collegamento a triangolo, da realizzare nelle condizioni normali di funzionamento.

Solo in tal caso si può effettuare l’avviamento Y- Δ, che significa una partenza con avvolgimento

predisposto a stella e, successivamente all’avvio, il passaggio al definitivo collegamento a triangolo.

La riduzione della corrente di spunto viene effettuata, sempre a parità della tensione di rete Ul, collegando inizialmente gli avvolgimenti a stella (commutatore C di fig. 2 in posizione Y).

In tal caso i valori di fase di ogni avvolgimento di statore (di impedenza equivalente ‘Z’), sono

Al raggiungimento di una certa velocità del motore (indicata con tratteggio nella fig. 3), si effettua la

commutazione a triangolo (commutatore C sulla posizione Δ). Ogni bobina dell’avvolgimento

risulta ora alimentata alla tensione concatenata Ul della rete trifase, cioè alla tensione 1,73 volte

maggiore della precedente.

Come si può quindi facilmente verificare, avviando il motore con il collegamento a stella esso

assorbe dalla linea una corrente ridotta di 1/3 rispetto a quella che avrebbe assorbito avviandolo

subito a triangolo.

La coppia di spunto, legata praticamente al quadrato della tensione, risulta anch’essa teoricamente

ridotta di 3 volte rispetto alla coppia che lo stesso motore fornirebbe, avviato a triangolo. Il metodo

trova applicazione per motori di potenza generalmente compresa fra (7÷50)kW, ma destinati a

partire pressoché a vuoto. L’istante oltre il quale conviene effettuare la commutazione a triangolo

viene determinato sperimentalmente: occorrerebbe che la corrente assorbita dal motore nel

momento della commutazione non superasse quella assorbita nell’istante iniziale dell’avviamento a

stella. Nella fig.3, dall’istante di avvio fino a quello a cui corrisponde la velocità indicata dalla linea

verticale tratteggiata, valgono le curve relative al collegamento a stella. Da questo istante in poi,

fatta la commutazione a triangolo, corrente e coppia seguono l’andamento delle curve relative al

collegamento del normale esercizio.

Figura 3) Andamenti delle coppie e delle correnti assorbite nel collegamento a stella e nel collegamento a triangolo. I valori a stella sono ridotti di 1/3 rispetto a quelli a triangolo. La linea tratteggiata segnala l’istante a cui corrisponde la velocità per la quale converrebbe effettuare la commutazione a triangolo.

Soluzione con PLC:

Soluzione con logica cablata:

In alternativa al PLC si può utilizzare una logica cablata di tipo tradizionale. Il circuito di alimentazione rimane lo stesso della soluzione precedente, mentre il circuito di comando e segnalazione diventa il seguente:

Descrizione del funzionamento:

Premendo PM si chiude il contatto di autoritenuta in parallelo a PM e vengono attivate le bobine Kl, Ks, t; il motore è alimentato collegato a stella.

Una volta che il temporizzatore arriva al suo valore di conteggio commuta i propri contatti che diseccitano Ks e eccitano Kt. Per evitare che il motore si possa trovare alimentato contemporaneamente a stella e a triangolo, è presente un blocco elettrico realizzato con due contatti nc in serie alle bobine. Adesso il motore è alimentato collegato a triangolo.

Quando il contattore di triangolo si chiude azzera il timer e si mantiene attivo tramite un contatto di autoritenuta in parallelo al contatto no del temporizzatore.

Le spie di segnalazione indicano gli stessi stati di prima, solo che invece di essere comandate dal PLC sono comandate dai contatti ausiliari dei componenti elettromeccanici.