Motori asincroni monofase

Quando non è disponibile un’alimentazione trifase, è possibile utilizzare i motori asincroni monofase per macchine come seghe circolari, perforatrici, macchine d’aspirazione e ventilazione, elettrodomestici, macchine per l’ufficio.

I motori monofase ad induzione sono costruttivamente molto simili ai motori asincroni trifase a cui si rimanda per la descrizione delle parti costruttive come lo statore, l’albero, per le forme costruttive, i sistemi di raffreddamento, le classi di isolamento, ecc. e per come questi tipi di motori sono dotati di avvolgimenti statorici e rotorici.

Normalmente il rotore è del tipo a gabbia di scoiattolo e lo statore presenta solo due avvolgimenti: uno principale (di marcia) e uno ausiliario (di avviamento).

Ed è proprio l’avvolgimento ausiliario che consente, mediante l’uso di opportuni accorgimenti, l’avviamento di questo tipo di motore; infatti, alimentando il solo avvolgimento principale, non si ottiene un campo rotante necessario per porre in rotazione il rotore, ma un campo magnetico alternato che è la risultante dalla sovrapposizione di due vettori rotanti in senso opposto dimezzato rispetto a quello principale.

Il rotore in tali condizioni non può mettersi in rotazione, perchè viene sollecitato nei due sensi con una coppia di uguale valore.

Però se con l’intervento di una forza esterna lo si lancia in una direzione o nell’altra, si viene a rompere l’equilibrio delle due coppie opposte a favore di quella che sollecita il rotore nel senso della forza esterna. In questo caso il motore proseguirà nella sua rotazione anche se viene a mancare la forza esterna che l’ha lanciato in rotazione.

È chiaro che un motore che dovesse essere lanciato manualmente, o con altri sistemi, non sarebbe praticamente utilizzabile e non avrebbe potuto trovare quella diffusione che il motore monofase ad induzione ha avuto.

Dal punto di vista costruttivo, gli avvolgimenti di marcia e di avviamento vengono montati con uno sfasamento di 90° elettrici; inoltre è necessario, affinchè il motore possa autoavviarsi, che le correnti presenti nei due avvolgimenti siano sfasate il più possibile, in modo da creare un campo magnetico rotante in un senso ben definito così da permettere l’avviamento del motore.

Lo sfasamento può essere ottenuto con un avvolgimento ausiliario resistivo, oppure ponendo in serie sempre all’avvolgimento ausiliario un condensatore di avviamento di capacità opportuna; quest’ultima soluzione è di solito la preferita, anche perché non sono necessari normalmente interruttori centrifughi che disinseriscano l’avvolgimento ausiliario.

Il motore con il condensatore di avviamento diventa un vero e proprio motore bifase.

L’avvolgimento ausiliario viene costruito con un filo di sezione abbastanza simile a quello di marcia, ed anche le cave occupate dall’avvolgimento ausiliario possono essere di poco inferiori a quelle del principale; in alcuni casi anzi i due avvolgimenti sono molto simili, sia per numero di cave occupate sia per numero di spire. In figura 4 viene mostrato a titolo di esempio lo schema di avvolgimento di un motore asincrono monofase, nel quale è possibile notare la presenza dell’avvolgimento principale (U1-U2) e dell’avvolgimento ausiliario (Z1-Z2), che occupa in questo caso solo la terza parte del numero totale delle cave.

Il calcolo della capacità del condensatore di avviamento da adottare può essere ricavata grazie a calcoli abbastanza complessi e che richiedono la conoscenza di parametri costruttivi del motore che non sono normalmente accessibili al grande pubblico.

Ci si affida perciò generalmente a formule empiriche che forniscono ugualmente risultati soddisfacenti, eventualmente ritoccati in seguito alle prove pratiche.

Una formula consigliata da taluni costruttori è la seguente:

C= capacità in microfarard del condensatore

P_a = potenza assorbita dal motore in watt essendo P_a = P_r/η dove P_r è la potenza resa all\'albero espressa in watt

k = rapporto fra il numero delle spire dell\'avvolgimento ausiliario e quello principale (generalmente questo numero è uguale a 1, ma può scendere fino a 0,7)

η = rendimento del motore

f = frequenza della tensione di alimentazione

A titolo orientativo, per i motori di potenze frazionarie fino a circa 100 W sono sufficienti capacità che vanno da un minimo di 2 µF a circa 6÷7 µF, mentre per potenze superiori, fino a circa 1 kW, si giunge a valori di 30÷40 µF ed oltre.

I costruttori hanno normalmente a catalogo motori per avviamenti senza carico e condensatore sempre inserito e motori che prevedono un’alta coppia di spunto per avviamenti con carico, dotati di un ulteriore condensatore (condensatore ausiliario) disattivato ad avviamento avvenuto e cioè ad almeno il 75% della velocità sincrona, hanno una coppia di spunto due o tre volte più alta di quella di un normale motore monofase e una potenza resa all’albero che si avvicina a quella di un motore trifase di pari ingombro.

Le due tabelle seguenti elencano le caratteristiche essenziali dei motori asincroni monofase a 2 e 4 poli funzionanti alla frequenza di 50 Hz.

Per ogni tipo di motore sono elencati alcuni parametri elettrici come la potenza nominale all’albero espressa in kW e HP, la velocità di rotazione del rotore in condizioni di carico e di alimentazione nominali in giri/min., la corrente assorbita a 220 V, il rendimento in percentuale (il valore è sempre inferiore al 100%) dato dal rapporto tra la potenza disponibile all’albero e la somma della stessa con le perdite del motore, il fattore di potenza (cos φ) in condizioni di carico e di alimentazione nominali, il rapporto tra la corrente assorbita (I_AVV) in fase di avviamento e la corrente nominale (I_N).

Vengono poi fornite alcune grandezze meccaniche come il rapporto tra coppia di spunto (C_A) e coppia nominale (C_N), il numero dei condensatori e la relativa capacità espressa in µF, infine il peso della forma costruttiva B3 espressa in kg.

Vale la pena ricordare che, utilizzando le unità di misura del Sistema Internazionale, la potenza P fornita dall’albero del motore, ovvero all’organo meccanico a cui è collegato, è legata alla coppia C attraverso la relazione P = C · ω, dove P si esprime in watt, C in N · m, ω in rad/s. Il legame tra ω e n (numero di giri/min.) è espresso attraverso la relazione ω = 2 · π /60 · n, mentre per quanto riguarda l’unità di misura della coppia è utile ricordare che 1 N · m equivale a 0.101972 kg · m.

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