Il motore asincrono, detto anche motore a induzione, è uno dei motori elettrici più diffusi nelle applicazioni industriali. Il suo principio di funzionamento non è in realtà molto complicato, ma viene spesso spiegato in modo eccessivamente teorico. Qui cerchiamo di spiegarlo in maniera più pratica e comprensibile.
Principio di funzionamento di base di un motore asincrono
L’idea di base di un motore asincrono è l’induzione elettromagnetica.
Quando la corrente alternata trifase viene fornita agli avvolgimenti dello statore, all’interno del motore si genera un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico rotante attraversa i conduttori del rotore e induce una corrente elettrica nel rotore stesso. Una volta indotta la corrente nel rotore, quest’ultimo genera a sua volta un campo magnetico. L’interazione tra il campo magnetico dello statore e quello del rotore produce una coppia elettromagnetica, che fa iniziare la rotazione del rotore.
Un punto importante è che il rotore non riceve direttamente energia elettrica dalla rete di alimentazione. La corrente nel rotore è invece indotta dal campo magnetico. Per questo motivo, la velocità di rotazione del rotore deve essere sempre diversa dalla velocità del campo magnetico rotante.
Questa differenza di velocità è la ragione principale per cui viene chiamato motore asincrono.
Perché la velocità del rotore è sempre inferiore alla velocità sincrona
In un motore asincrono, il campo magnetico rotante prodotto dallo statore ruota a quella che chiamiamo velocità sincrona. Il rotore, tuttavia, ruota sempre leggermente più lentamente di questa velocità durante il normale funzionamento del motore.
Perché succede questo?
Se il rotore ruotasse esattamente alla stessa velocità del campo magnetico rotante, non ci sarebbe alcun moto relativo tra i conduttori del rotore e il campo magnetico. Senza moto relativo, i conduttori del rotore non intersecherebbero le linee di forza magnetiche. Ciò significa nessuna tensione indotta, nessuna corrente indotta e quindi nessuna coppia elettromagnetica.
In parole semplici:
Nessuna differenza di velocità = nessuna corrente indotta = nessuna coppia.
Affinché il motore continui a produrre coppia, il rotore deve sempre ruotare a una velocità inferiore alla velocità sincrona. Questa differenza di velocità è descritta da un parametro chiamato slittamento.
Significato di “Motore asincrono trifase”
Il termine “motore asincrono trifase” racchiude in realtà due significati importanti.
Trifase
Trifase significa che il motore è alimentato da corrente alternata trifase. Le tensioni trifase presentano una differenza di fase di 120 gradi elettrici. Questo tipo di alimentazione genera naturalmente un campo magnetico rotante uniforme nello statore, ideale per il funzionamento del motore.
Rispetto ai motori monofase, i motori trifase si avviano più facilmente, funzionano in modo più fluido e, in genere, hanno un’efficienza maggiore.
Asincrono
Asincrono significa che la velocità del rotore non è sincronizzata con il campo magnetico rotante. Durante il normale funzionamento, la velocità del rotore è sempre inferiore alla velocità sincrona. Questa differenza di velocità è necessaria per l’induzione e la generazione di coppia.
La differenza fondamentale tra motori sincroni e asincroni risiede nella necessità o meno di un’eccitazione esterna. I motori asincroni non richiedono un’eccitazione separata. La corrente del rotore viene generata per induzione elettromagnetica, il che rende la struttura più semplice e robusta.
La velocità del rotore può mai superare la velocità sincrona?
In condizioni di normale funzionamento del motore, la velocità del rotore non supererà mai la velocità sincrona. Tuttavia, in alcune condizioni operative particolari, come la frenatura dinamica o il funzionamento del generatore, la velocità del rotore può diventare superiore alla velocità sincrona.
In questi casi, il motore non funziona più come un motore normale. Tuttavia, nelle applicazioni industriali standard, la velocità del rotore è sempre inferiore alla velocità del campo magnetico rotante.
Conversione di energia in un motore asincrono trifase
Quando un motore asincrono trifase funziona come motore, l’energia elettrica viene convertita in energia meccanica.
Il campo magnetico rotante induce tensione e corrente nell’avvolgimento del rotore a causa del moto relativo. La corrente del rotore interagisce con il campo magnetico dello statore, producendo una coppia elettromagnetica. Questa coppia aziona il rotore e il carico collegato.
L’intero processo di conversione energetica dipende dallo slittamento. Senza slittamento non c’è corrente indotta e senza corrente indotta non c’è coppia.
Vantaggi dei motori asincroni trifase
Rispetto ai motori asincroni monofase, i motori asincroni trifase presentano diversi vantaggi evidenti.
Innanzitutto, offrono prestazioni di funzionamento migliori. La coppia è più stabile, le vibrazioni sono inferiori e l’efficienza è generalmente superiore.
In secondo luogo, i motori trifase consentono di risparmiare materiale a parità di potenza erogata. Ciò li rende più economici nelle applicazioni industriali.
In terzo luogo, la struttura è relativamente semplice e affidabile, il che si traduce in una lunga durata e bassi costi di manutenzione.
Tipi di motori asincroni trifase
In base alla struttura del rotore, i motori asincroni trifase si dividono principalmente in due tipi: a gabbia di scoiattolo e a rotore avvolto.
Motore asincrono a gabbia di scoiattolo
Il motore asincrono a rotore a gabbia di scoiattolo ha una struttura semplice e un funzionamento molto affidabile. È leggero, economico e di facile manutenzione. Grazie a questi vantaggi, è il tipo più diffuso nell’industria.
Il suo principale svantaggio è la difficoltà di regolare la velocità. Una volta avviato il motore, la velocità è determinata principalmente dalla frequenza di alimentazione e dalla progettazione del motore stesso.
Motore asincrono a rotore avvolto
In un motore asincrono trifase a rotore avvolto, sia lo statore che il rotore sono dotati di avvolgimenti trifase. Gli avvolgimenti del rotore sono collegati a una resistenza esterna tramite anelli collettori e spazzole.
Regolando la resistenza esterna, è possibile migliorare le prestazioni di avviamento del motore e controllare la corrente di avviamento. È inoltre possibile regolare la velocità entro un certo intervallo.
Tuttavia, a causa della struttura più complessa e delle maggiori esigenze di manutenzione, i motori a rotore avvolto sono utilizzati meno frequentemente rispetto ai motori a gabbia di scoiattolo.
Conclusione
Il principio di funzionamento di un motore asincrono trifase si basa sull’induzione elettromagnetica e sullo scorrimento. Il campo magnetico rotante generato dallo statore induce corrente nel rotore e l’interazione tra i campi magnetici produce coppia.
La caratteristica principale di un motore asincrono è che, durante il normale funzionamento, la velocità del rotore è sempre diversa dalla velocità sincrona. Questo principio semplice ma efficace rende i motori asincroni affidabili, durevoli e adatti a un’ampia gamma di applicazioni industriali.