Ridurre lo spunto dei motori elettrici : Stella/triangolo , soft starter , inverter , reostati e reattanze

Uno dei principali problemi nell'utilizzo industriale dei motori elettrici , soprattutto quelli asincroni trifase che sono tra i più diffusi , è la corrente di spunto . Infatti all'avvio del motore ( e in ogni transitorio che preveda fasi ON/OFF ) il motore assorbe una corrente che può arrivare anche a 8:10 volte la corrente a regime , a seconda delle caratteristiche del motore e della macchina su cui è montato , che può prevedere un avvio a vuoto o parzialmente sotto carico.

Questo può determinare diversi problemi al sistema che eroga la potenza al motore : dimensionamento delle linee e degli interruttori ( che possono aprire il circuito se le curve dei magnetotermici non sono adatte a certi sovraccarichi ) , necessità di impegnare una potenza maggiore con l'ente erogatore ( quota fissa in bolletta ) o , nel caso il motore sia alimentato in condizioni ordinarie o di emergenza da un generatore elettrico , anche l'impossibilità di avviare il l'apparecchiatura che utilizza il motore ( compressore , pompa , condizionatore , ecc )  se la potenza meccanica del gruppo elettrogeno è inferiore alla potenza richiesta allo spunto.

Per tutti questi motivi , sono stati studiati diversi metodi più o meno elaborati per ridurre il coefficiente di spunto del motore. Vediamone alcuni :

1) Impedenze variabili ( resistenze o reattanze variabili ) :

- nei motori a rotore avvolto , potendo accedere al circuito rotorico , viene inserito un reostato di avviamento in serie a ciascuna fase di tale circuito. Dimensionando opportunamente il valore di tale resistenza , si può ottenere anche un avvio con buoni valori della coppia motrice. Il reostato , completamente inserito al momento dell'avviamento mediante delle spazzole , verrà gradualmente disinserito , mentre il rotore accelera. Alla fine della manovra verrà ripristinato il cortocircuito agli anelli , sollevando le spazzole del circuito reostatico al fine di ridurre le perdite per attrito.

- nei motori in cui il rotore è in cortocircuito e non accessibile ( motori a gabbia semplice ) , non potendo accedere al circuito rotorico , vengono inserite delle impedenze statoriche che , con la loro caduta di tensione , limitano la tensione al motore. In questo modo viene però anche ridotta la coppia di avviamento , che viene aumentata gradatamente insieme alla tensione fino a disinserire i resistori ad avviamento terminato . I motori asincroni più diffusi sono quelli con rotore a gabbia semplice , in cui l'avvolgimento rotorico è costituito da sbarre collegate frontalmente da due anelli conduttori che determinano perennemente il corto circuito dell'avvolgimento.

Si è parlato genericamente di impedenze , perché si può ricorrere sia a resistenze che reattanze , ciascuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi :

- le resistenze causano perdite per effetto Joule
- le reattanze abbassano ulteriormente il fattore di potenza

Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )
Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )

2) Avviamento stella-triangolo :

anche l'avviamento con commutazione stella-triangolo rientra nelle tecniche di avviamento con riduzione della tensione. Infatti nel motore in cui le fasi statoriche sono collegate a stella , viene predisposto un commutatore che , alla partenza , li collega a stella . In questo modo :

- la tensione di alimentazione di ogni fase risulta √3 volte inferiore a quella con collegamento ordinario a triangolo
- la corrente di spunto si riduce di 1/3 rispetto a quella che si avrebbe con inserzione diretta ( collegamento a triangolo )
- anche la coppia motrice si riduce di 1/3

Come per i reostati , al termine della fase di avviamento , il commutatore torna nella posizione di regime , facendo in modo che le fasi statoriche tornino ad essere collegate a triangolo. L'avviamento stella triangolo ha avuto una grande diffusione prima dell'avvento dei dispositivi a semiconduttore come Softstarter e Inverter , perché è di semplice realizzazione ed è utilizzato per motori di media e piccola potenza , fino a qualche centinaio di kW.

3) Soft-Start : 

anche i softstarter ( detti anche avviatori statici ) rientrano tra le metodologie di avviamento che riducono la tensione rispetto all'avvio diretto , ma grazie all'impiego dei semiconduttori di potenza e spesso all'integrazione a bordo di dispositivi logici , permette il ricorso a tecniche più complesse dell'avviamento stella-triangolo o delle impedenze.

L'avviamento viene effettuato ad esempio con una rampa di tensione di cui si può programmare il valore iniziale , il tempo di accelerazione ( ascesa della rampa ) , la coppia iniziale. Questo permette un avviamento dolce e graduale che riduce lo stress meccanico e gli strappi. La stessa funzionalità può essere impiegata per la decelerazione , che impedisce arresti troppo bruschi del motore che possono essere svantaggiosi in diverse applicazioni come nastri trasportatori e pompe ( colpo d'ariete ). Altre funzionalità che integrano gli avviatori statici soft start sono :

- contattore di by-pass che esclude l'intero avviatore quando il motore è stato avviato , riducendo le perdite per effetto joule sui semiconduttori
- protezione termica del motore
- moduli di comunicazione bus per il controllo remoto

Il vantaggio dei softstart è anche quello di non essere eccessivamente costosi : per avere una panoramica dei prezzi in base alle potenze e alle funzionalità , consulta l'apposita sezione del nostro catalogo sugli azionamenti elettrici .


Un softstarter della Schneider Electric : sono ben visibili le regolazioni per la tensione iniziale e il tempo iniziale e finale della rampa 

4) Inverter :

il principio di avviamento dei motori asincroni con gli inverter è la tipologia decisamente più avanzata e quindi più costosa rispetto alle precedenti. Un inverter è infatti un convertitore statico di frequenza , pertanto il controllo dell'avviamento avviene modificando non solo la tensione ma anche la frequenza.

In un motore asincrono , infatti , la regolazione della velocità può essere realizzata variando la frequenza della tensione di alimentazione , perché la la velocità di rotazione del campo magnetico rotante varia proporzionalmente alla frequenza :

ns=60*f/p dove p è il numero di poli

In particolare , poiché la coppia del motore è proporzionale al rapporto tra la tensione e la frequenza [ CM≈K*(V/f) ] , potendo agire su entrambi questi parametri in modo da mantenere il rapporto più possibile costante , l'avviamento tramite inverter ha il grande vantaggio di poter effettuare un avviamento senza riduzione della coppia motrice.

Altri vantaggi sono che , essendo il convertitore un dispositivo elettronico che riceve in ingresso corrente alternata , la raddrizza e poi la trasforma nuovamente in corrente alternata di frequenza e tensioni diverse , all'ingresso il fattore di potenza è molto alto ( superiore a 0.9 ) e non è necessario rifasamento. Per contro , questa operazione comporta la generazione a monte di disturbi elettromagnetici sotto forma di armoniche , che vanno opportunamente filtrate per non portare ripercussioni alla rete dell'ente erogatore.

In generale il controllo dell'avviamento dell'avviamento di un motore asincrono tramite inverter può essere visto come un caso particolare di controllo della velocità : l'inverter viene impiegato in quelle applicazioni dove il controllo della velocità del motore deve essere tenuto sempre sotto controllo e , a differenza del softstart , non viene disinserito una volta terminato l'avviamento , ma il driver continua a fornire al motore i parametri di funzionamento.

Il controllo di velocità tramite inverter è un argomento molto più ampio e complesso del solo avviamento , così ampio che sarà trattato in una sezione a parte : si pensi ad esempio che oltre agli inverter che permettono il controllo V/f , detti inverter scalari , ci sono oggi sul mercato anche gli inverter vettoriali che oltre alle variabili tensione e frequenza permettono di controllare direttamente la coppia del motore , rendendo via via i motori asincroni concorrenziali coi motori in corrente continua nelle applicazioni di automazione industriale avanzata , dove è richiesta notevole precisione.

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