MORETTI SERGIO di Ravenna: Elettromeccanica : un pò di scuola o lezioni cercando la semplicità - potenza e carico ( motori elettrici , elettrovalvole , elettromagneti , contattori o teleruttori , magnetotermici , relè termici , fusibili , inverter ...) , logica di comando e di sicurezza ( circuiti di sicurezza e di comando dei componenti di gestione diretta del carico , formati da pulsanti di varie tipologie , finecorsa , sensori , fotocellule , relè , temporizzatori , trasformatori ....) - Motori asincroni trifase

Breve richiamo sui motori elettrici .

In questo ed altri post che seguiranno , spero senza peccare troppo di presunzione , vorrei descrivere tramite esempi alcuni circuiti elettromeccanici di base passando attraverso la conoscenza ( la più semplificata possibile ) dei componenti utilizzati ; forse c’è qualche giovane che potrebbe essere interessato , pur essendo in un era ( bellissima comunque ) dove nella tecnologia è giustamente l’elettronica a farla da padrone . Non bisogna però dimenticare che dove ci sono problemi di sicurezza per la salute e l'incolumità delle persone gli enti omologatori spesso richiedono i circuiti di comando e di controllo principale realizzati con componenti elettromeccanici ( anche in questo caso direi giustamente ) , lasciando all’elettronica l’esecuzione della programmazione attraverso PC e/o Controlli numerici e la gestione del carico attraverso azionamenti fra cui gli inverter .

1) Inizio con il carico , cioè il componente che in funzione della sua potenza stabilisce la scelta di molti altri componenti del circuito elettromeccanico . Nelle macchine di movimentazione il carico può essere qualche volta una semplice elettrovalvola o un elettromagnete…. mentre nella maggior parte dei casi è un motore elettrico , come d’altronde anche in quasi tutte le macchine a rotazione .

Di seguito , ( attraverso più post ) farò un accenno con esempi a questi motori e relativi componenti di loro gestione diretta ( contattori o teleruttori , magnetotermici , relè termici , fusibili , inverter ecc…) senza affrontare teorie varie che occorre conoscere attraverso lo studio o leggendo libri e/o articoli scritti da persone più qualificate di me , non certo irraggiungibili con le possibilità che ci sono oggi . Comunque , poiché anch’io ho dovuto studiare e leggere parecchio in proposito , non tralascerò , se serve , di dare qualche informazione teorica semplice .

Seguiranno i circuiti , sempre attraverso esempi , di logica elettromeccanica , cioè i circuiti di sicurezza e di comando dei componenti di gestione diretta del carico , formati da pulsanti di varie tipologie , finecorsa , sensori , fotocellule , relè , temporizzatori , trasformatori , elettrovalvole , elettromagneti ecc… ( se mi sono dimenticato qualcosa lo riprenderò poi …. ) .

Dunque ecco alcune pagine di uno dei miei schemi che ispirano a parlarne ….. :

MOTORI ELETTRICI ( in particolare Motori asincroni trifase )

Nello schema che precede i motori M01 di colonna 4 e M12 ( rotazione utensili ) di colonna 5 sono due motori trifase di potenze diverse ma entrambi ad avviamento diretto ( tramite un teleruttore ) mentre M02 di colonna 6 e M11 (traslazione ) di colonna 10 sono ad avviamento e controllo tramite inverter ; nello schema che segue M01 di colonna 3 è invece ad avviamento "stella-triangolo" tramite 3 teleruttori . Per la rotazione utensili molto spesso non è richiesta variazione di velocità per cui sarebbe inutile utilizzare azionamenti o inverter ma quando gli utensili sono pesanti e/o la tensione di alimentazione è più bassa di 380V ( es. 220V negli USA , come nel caso del motore della pagina che segue ) e quindi più corrente in circolazione con spunto molto elevato si usa l'avviamento stella/triangolo ( motore costruito a tale scopo ) ; in questo modo alimentando a 220V l'avvolgimento a stella del motore predisposto per 380V il rotore inizierà a ruotare lentamente evitando una corrente elevata di spunto e accelerando si porterà al numero di giri di regime o vicino ; quando dopo alcuni secondi di tempo ( dettati da un temporizzatore ) avverrà la commutazione del collegamento dall'avvolgimento stella a quello a triangolo ( predisposto per 220V ) il rotore si porterà sicuramente a regime sfruttando tutta la potenza per la quale è stato costruito ( in questo caso 11KW ) . Per la traslazione o movimentazione , poiché il più delle volte è richiesta una variazione di velocità , oggi si usano spesso gli inverter che danno la possibilità di utilizzare i normali motori asincroni trifase ( un bel risparmio nella gestione del magazzino poter utilizzare motori che possono essere alimentati e controllati sia direttamente che tramite inverter ) .

All'occorrenza esisiste un sistema più semplice ed economico che consiste nell'utilizzo di motori a più poli ( es. 2/4 - 4/6 - 6/8 ecc..) nei quali la velocità più alta corrisponde all'avvolgimento con numero di poli inferiore ( es. 3000giri/minuto -> 2 poli - 1500 giri-> 4 poli ecc. la cui formula è :

velocità ( giri al minuto ) = __frequenza di rete o d'alimentazione x 60__

di sincronismo paia di poli ( o numero di poli : 2 )

( es. : __50 x 60___= __3000__= 3000 oppure __3000__= __3000__= 1000 ecc. ) .

2:2 1 6:2 3

Tuttavia quando la movimentazione di assi richiede maggior velocità ed accelerazioni/rallentamenti molto rapidi e di grande precisione nel posizionamento ( cioè all'arresto ) nemmeno il sistema INVERTER+motore asincrono con freno ( in corrente continua ma richiede un’alimentazione in c.a. a bassa tensione spesso ricavata da un trasformatore mentre il circuito raddrizzatore è dentro il motore ) è più sufficiente ma occorre passare ad azionamento+motore DC ( o corrente continua ) se non motore passo /passo ed oltre .

Di tutti i componenti fino ad ora menzionati c’è un’intensa letteratura sviluppata in tutte le direzioni per cui chi vuole farsi una cultura tecnica invidiabile non ha che da scegliere ( farà sempre e sicuramente comodo ) , ma un progettista elettromeccanico non deve dimenticare che il suo scopo finale è una macchina composta da molti componenti , che deve essere realizzata prima di tutto molto funzionale rispetto la sicurezza verso Persone e cose ed avere le caratteristiche richieste nell’ordine . Il modo per ottenere ciò passa anche attraverso la scelta dei componenti che devono essere di buona qualità , se non ottima , ma nello stesso tempo non devono avere costi esagerati perché metterebbero fuori concorrenza la macchina sul mercato . Dunque , anche se un progettista elettromeccanico non conosce tutto di un componente non commette peccato ma deve saper interpretare i suoi dati tecnici di targa ed assicurarsi ( nel dubbio con eventuali prove…) che siano rispettati ( a volte basta anche che un rappresentante tecnico della ditta costruttrice serio e capace lo garantisca …) .

Dato che il motore asincrono trifase è il soggetto principale di questa trattazione si veda un esempio di targhetta di un motore a 4 poli qui di seguito riportata :

Motore asincrono significa che ha dello scorrimento e cioè , specialmente con l'aumentare del carico , il suo numero di giri diminuisce rispetto la velocità di sincronismo che è quella teorica difficile da raggiungere anche a vuoto . Nella targhetta infatti sono riportati a 50Hz 1460/giri al minuto anziché 1500 ( velocità di sincronismo di un 4 poli ) .
Gli altri dati sono tutti già bene illustrati nella targhetta ma per dimostrare a se stessi di non essere completamente all'asciutto riguardo le formule basilari ecco quanto segue prendendo come esempio il motore M01 del primo schema di cui sopra che riporta come dati la potenza nominale o resa all'albero motore Pr = 11Kw = 11000W - il rendimento η = 0.86 che evidenzia le perdite del motore ( perdite nel ferro , meccaniche , negli avvolgimenti statore e rotore ----correnti parassite - isteresi - attriti ecc..----- ) - la corrente nominale , e cioè quella circolante quando il motore sviluppa la maggior potenza ammessa ( in questo caso 11Kw ) , In = 23A .
Dato che in questo caso il cosφ non è riportato ( nei circuiti con utilizzatori che hanno al loro interno avvolgimenti, come i motori, le saldatrici , i trasformatori, una parte della potenza apparente assorbita viene impegnata per eccitare i circuiti magnetici e non è quindi impiegata come potenza attiva, ma come potenza generalmente chiamata potenza reattiva , per cui alla linea di alimentazione viene richiesta più corrente di quella richiesta effettivamente dal carico . Dunque il fattore di potenza ( cosφ ) cala . Ciò dipende anche dalle caratteristiche costruttive , specialmente nei motori elettrici ) ecco di seguito le formule per calcolarlo facendo poi anche delle verifiche che rimandano ad alcune formule basilari o principali :

Tutte le formule sono in watt , volt , ampere ed in volt/ampere .

Pr (resa) = 1,73 V I η cosφ ( potenza resa all’albero motore )

cosφ = fattore di potenza

cosφ = ____Pr_____ = _____11000_____ = ____11000____ = 0,803637702 = 0,80 (circa)

1,73 V I η 1,73 x 400 x 23 x 0,86 13687,76

V = tensione di linea riportata nello schema a colonna 1 in alto = 400V

η = rendimento

η = __Pr___ (potenza resa) da cui : Pa = __Pr__ = ___11000___ = 12790,69767 = 12791

Pa (potenza assorbita dalla linea) η 0,86

Verifica :

Pa ( è anche uguale ) = 1,73 V I cosφ = 1,73 x 400 x 23 x 0,803637702 = 12790,69767

Verifica :

cosφ = __Pa__

Pap ( potenza apparente )

Pap = 1,73 V I da cui :

cosφ = __Pa__ =____ 12790,69767____ =___12790,69767___ = 0,803637702 = 0,80 (circa)

1,73 V I 1,73x400x23 15916

Dunque attraverso il calcolo del cosφ e la sua verifica sono emerse anche le formule principali che riguardano i motori asincroni trifase , utilizzabili solo raramente perché i dati di targa sono quasi sempre completi e sufficienti per il calcolo della potenza totale della macchina , utile per l'allacciamento alla linea elettrica dell'utilizzatore finale , e cioè il cliente che l'ha acquistata e la sua protezione contro il sovraccarico e il corto circuito nonché la sezione dei cavi , e per la scelta della maggior parte dei componenti di protezione del carico ( in questo caso i motori asincroni trifase ) come ad esempio i fusibili , i magnetotermici e i relè termici che verranno trattati in un post a seguire .

Comunque chi si volesse fare una cultura o solo conoscere il campo di utilizzo si serva dell'elenco sotto riportato per fare una ricerca ( i mezzi non mancano di certo , uno dei quali , per una ricerca semplice , è Wikipedia ) :

Motore in corrente continua

Motore passo-passo

Motore senza spazzole ( o brushless )

Motore in corrente alternata

Motore sincrono

Motore asincrono Motore lineare Motore monofase