Tipi di motori a corrente alternata con commutatore

AC commutatore I motori occupano ora una nicchia ristretta: coppia di avviamento elevata, ampia gamma di velocità, telai compatti e costante negoziazione con l'usura delle spazzole e i limiti di commutazione. Non sono più l'azionamento industriale predefinito, ma se si lavora con impianti, apparecchiature o macchinari speciali legacy, è comunque necessario sapere quale tipo si ha effettivamente davanti e cosa ciò implica in termini di controllo, qualità dell'alimentazione e manutenzione.

Cosa intendono gli ingegneri con “motore a corrente alternata con commutatore”

Il termine indica macchine che funzionano con alimentazione CA ma utilizzano un commutatore segmentato e spazzole per gestire la corrente del rotore. In altre parole, prendono in prestito la commutazione meccanica delle macchine CC ma accettano un'alimentazione sinusoidale. I libri di testo normalmente le raggruppano separatamente dai motori a induzione e sincroni perché le curve coppia-velocità, il comportamento del fattore di potenza e il profilo di manutenzione sono piuttosto diversi.

Esistono due grandi famiglie. I tipi monofase derivano direttamente dai motori in serie a corrente continua: serie CA, serie compensate, universali e varianti a repulsione. I motori polifase a commutatore, principalmente lo Schrage e i suoi derivati, utilizzano la forza elettromotrice del rotore iniettato per ottenere una velocità variabile regolare pur rimanendo sincronizzati con una rete trifase.

Sapete già come sono collegati gli avvolgimenti e come funziona la commutazione. La parte interessante ora è capire come le varianti differiscono nella pratica: comportamento della coppia, opzioni di controllo, livelli di potenza tipici e cosa fare con essi in un impianto che dispone anche di macchine a induzione alimentate da VFD e azionamenti moderni.

Classificazione generale

La maggior parte delle note moderne sulle macchine a corrente alternata elencano questi tipi di commutatori: in serie, in serie compensati, in derivazione, a repulsione, a repulsione-induzione, a repulsione-avviamento e induzione-funzionamento, oltre a modelli polifase come il motore Schrage.

La tabella sottostante offre una panoramica sintetica prima di esaminare ciascun gruppo. I numeri sono solo indicativi, ma sufficienti per una riflessione a livello progettuale.

Con quella mappa nella tua testa, le varianti smettono di sembrare un lungo elenco e iniziano a formare due o tre famiglie che si comportano in modi riconoscibilmente diversi.

Famiglia di serie: motori serie AC e motori serie compensati

Un motore in serie CA semplice è essenzialmente un motore in serie CC adattato quanto basta per funzionare con corrente alternata. La reattanza del campo limita la corrente e l'armatura assomiglia al secondario di un trasformatore con un giro in cortocircuito a riposo, il che sollecita il commutatore. Ecco perché i libri di testo più autorevoli ripetono che i motori in serie CA non compensati sono pratici solo con potenze molto ridotte.

Il motore in serie compensato risolve questo problema aggiungendo un avvolgimento di compensazione nello statore, in serie con l'armatura, posizionato in modo tale che la sua forza magnetomotrice annulli la reazione dell'armatura sotto i poli. Questo permette di ottenere tre risultati contemporaneamente. Innanzitutto, migliora la commutazione a bassa velocità e ad alto carico. In secondo luogo, consente un traferro più piccolo e un minor numero di spire di campo, il che riduce la caduta di tensione reattiva e migliora il fattore di potenza. In terzo luogo, rende la curva coppia-velocità più simile a quella di un motore in serie a corrente continua in un intervallo di funzionamento significativo, invece di collassare non appena cambia il carico.

Dal punto di vista progettuale, una volta incluso l'avvolgimento di compensazione, la macchina diventa il motore a commutatore CA “predefinito”. La maggior parte dei motori CA in serie storici di qualsiasi dimensione sono in realtà macchine in serie compensate, anche se la targhetta è vaga. La mancanza di precisione nella denominazione causa problemi quando qualcuno specifica i gradi di sostituzione delle spazzole o i dati di riavvolgimento da un vecchio disegno che riporta solo la dicitura “serie CA”.

Dal punto di vista dei moderni sistemi di controllo, la famiglia di serie è facile da modulare utilizzando componenti elettronici molto semplici. Un regolatore di fase o un dimmer triac possono variare la velocità in modo approssimativo ma funzionale. Nessun feedback, solo taglio di potenza. Il costo è il rumore, sia acustico che elettromagnetico, e un fattore di potenza che può essere piuttosto scarso a carico leggero. Questo compromesso è accettabile in un trapano o in un frullatore dove il servizio è intermittente e la rete è rigida. È molto meno accettabile quando il motore è di decine di kilowatt all'interno di un impianto che già fatica a rispettare i requisiti armonici.

Motori universali: stesso telaio, CA o CC

I motori universali sono semplicemente motori in serie compensati costruiti in dimensioni sufficientemente ridotte da mantenere tollerabili le perdite nel ferro e i limiti di commutazione sia in corrente alternata che in corrente continua. La loro caratteristica distintiva è la capacità di velocità: decine di migliaia di giri al minuto da un telaio molto compatto, con entrambi i tipi di alimentazione.

Il rapporto coppia-corrente è quasi identico in CA e CC perché viene utilizzato lo stesso campo in serie. In CA, l'induttanza dell'avvolgimento e le perdite nel ferro riducono leggermente la velocità, ma la saturazione ai picchi dell'onda sinusoidale la riporta al livello precedente; l'effetto netto è una velocità che non varia molto tra CC e 50/60 Hz.

In pratica, i motori universali sono gli unici motori a corrente alternata con commutatore che la maggior parte degli ingegneri non specializzati vede oggi. Sono presenti negli aspirapolvere, nelle smerigliatrici, nei seghetti alternativi, negli asciugacapelli e in molti altri dispositivi in cui è richiesta una potenza elevata in un formato piccolo ed economico e in cui è possibile accettare spazzole, rumore e durata limitata. Quando uno si guasta, si sostituisce l'apparecchio, non solo il motore. Questa realtà commerciale ha influenzato la progettazione meccanica tanto quanto le considerazioni elettromagnetiche.

Dal punto di vista della progettazione del sistema, i motori universali interagiscono fortemente con l'impedenza di alimentazione. Il calo di tensione all'avvio o in caso di stallo può essere significativo su reti deboli, quindi a volte li si vede abbinati a circuiti di avvio graduale o a semplici limitatori di corrente. Il controllo tramite regolazione dell'angolo di fase è così comune che gli ingegneri a volte dimenticano che la macchina sottostante è ancora un motore a commutatore completamente avvolto con tutte le normali sensibilità delle spazzole e della commutazione.

Famiglia Repulsion: quando hai davvero bisogno di coppia di avviamento

I motori a repulsione semplice dispongono di un campo monofase sullo statore, collegato direttamente alla linea CA, e di un rotore avvolto collegato a un commutatore con spazzole in cortocircuito disposte ad angolo rispetto all'asse del campo. Lo statore induce corrente negli avvolgimenti del rotore; l'asse angolato delle spazzole consente al campo del rotore di opporsi e spostarsi rispetto al campo dello statore, producendo coppia.

L'aspetto interessante è che si ottiene un comportamento simile a quello di un trasformatore a motore fermo senza assorbire un'enorme corrente di avviamento dall'alimentazione. La coppia di avviamento può facilmente superare di diverse volte la coppia nominale, mentre la corrente rimane gestibile. Ciò ha reso i motori a repulsione interessanti per ascensori, trazioni iniziali e azionamenti per impieghi gravosi in cui l'avviamento DOL di un motore a induzione avrebbe richiesto impedenze assurdamente basse o autotrasformatori di grandi dimensioni.

Il controllo della velocità in un motore a repulsione semplice deriva dallo spostamento meccanico delle spazzole. Spostandole verso l'allineamento con il campo, la coppia diminuisce; allontanandole, la coppia si inverte. Questo tipo di controllo meccanico è fluido ma richiede molto lavoro. Va bene quando un azionamento funziona a poche velocità fisse impostate dal personale di manutenzione, ma non quando si desiderano regolatori a circuito chiuso e ricette con centinaia di setpoint.

I motori a repulsione compensata aggiungono un avvolgimento di compensazione in serie, simile nell'idea al motore in serie compensato. L'obiettivo è ancora una volta quello di ottenere una migliore commutazione e un migliore fattore di potenza, ma in questo caso si modella anche la caratteristica coppia-velocità per renderla più simile a quella di un motore in serie, pur mantenendo il comportamento di avviamento a repulsione. Alcuni testi fanno riferimento ai progetti Latour-Winter-Eichberg con set di spazzole multiple e prese del trasformatore che alimentano parte del commutatore; si tratta di macchine ingegnose ma meccanicamente complesse, interessanti in laboratorio ma scomode nella produzione.

Avvio per repulsione - funzionamento a induzione

I motori a induzione con avviamento a repulsione rappresentano un compromesso pragmatico tra il comportamento di repulsione e quello di induzione. A motore fermo, il rotore è un rotore a repulsione con spazzole e commutatore, che fornisce una coppia di avviamento elevata e un fattore di potenza soddisfacente. A una velocità vicina a quella di marcia, un dispositivo centrifugo mette in cortocircuito tutti i segmenti del commutatore e spesso solleva le spazzole, trasformando il rotore in qualcosa di simile a una gabbia di scoiattolo.

Da quel momento in poi, la macchina si comporta come un normale motore a induzione monofase. Ciò significa che in condizioni di funzionamento stabile si ottengono caratteristiche familiari, protezione semplice e nessuna usura continua delle spazzole. Il prezzo da pagare è una maggiore complessità meccanica nel meccanismo di commutazione e nel commutatore, oltre al costo del rotore più complesso.

Dove si trovano ancora? Principalmente nei compressori più vecchi, nelle pompe e negli impianti domestici pesanti o industriali di piccole dimensioni, dove era essenziale una coppia di avviamento elevata, ma il progettista voleva comunque un funzionamento semplice di tipo a induzione una volta che il carico inerziale era in movimento. Quando oggi una macchina di questo tipo si guasta, spesso viene sostituita da un motore a induzione con avviamento a condensatore più un soft starter o un VFD, perché questa combinazione è più facile da reperire e mantenere.

Motori a induzione a repulsione

I motori a induzione a repulsione combinano un avvolgimento del rotore a repulsione collegato a un commutatore con un avvolgimento a gabbia di scoiattolo incorporato. All'avvio, l'azione di repulsione è predominante, fornendo una coppia elevata con corrente controllata. Man mano che la velocità aumenta, le correnti indotte nella gabbia diventano più importanti e il comportamento tende a quello di un motore a induzione, anche senza cortocircuitare meccanicamente il commutatore.

Questo comportamento misto offre una curva di coppia interessante per alcune applicazioni, ma complica la progettazione del rotore, l'isolamento e il raffreddamento. Con l'avvento dei motori a induzione con avviamento e funzionamento a condensatore, che offrono una buona coppia di avviamento senza spazzole e con una struttura molto più semplice, i tipi a induzione a repulsione sono in gran parte scomparsi dai nuovi progetti.

Motori a corrente alternata con commutatore in derivazione

Le tabelle di classificazione talvolta includono i “motori a corrente alternata con commutatore in derivazione” o i “motori a corrente alternata con caratteristiche di derivazione a spazzola fissa”. Concettualmente, si tratta di versioni a corrente alternata dei motori in derivazione a corrente continua: il campo è eccitato dalla stessa alimentazione, ma non in serie con l'armatura. Il risultato è una velocità relativamente rigida rispetto al carico, più vicina a un azionamento a velocità costante che a una macchina in serie.

Il controllo del campo tramite un reostato o un trasformatore separato consente una modesta regolazione della velocità al di sopra della velocità di base indebolendo il campo. Sulla corrente alternata, il vantaggio è meno evidente rispetto alle macchine a corrente continua a causa dei vincoli relativi al fattore di potenza e alla commutazione. Questo è uno dei motivi per cui questa classe è rimasta piccola e specializzata.

In pratica, questi motori si trovano principalmente negli impianti più vecchi, dove un motore a corrente alternata a velocità costante con commutatore azionava un albero di trasmissione o una macchina critica prima che i motori a induzione diventassero economici e ampiamente controllabili. Se ne ereditate uno, consideratelo come un azionamento a velocità costante che richiede molta manutenzione e con disponibilità limitata di ricambi; sostituirlo con un motore a induzione e un VFD è solitamente più semplice, a meno che l'integrazione meccanica non sia molto complessa.

Motori trifase a corrente alternata con commutatore: il motore Schrage e simili

Il motore Schrage è il motore trifase a commutatore più ampiamente documentato. Si tratta essenzialmente di un motore a induzione a velocità variabile in cui un campo elettromagnetico trifase ausiliario viene immesso nel circuito del rotore tramite un commutatore e spazzole regolabili.

Un tipico Schrage ha uno statore trifase, un rotore con un avvolgimento collegato ad anelli di contatto per l'alimentazione principale e un secondo avvolgimento del rotore collegato a un commutatore. Spazzole regolabili alimentano il commutatore da un avvolgimento di regolazione. Spostando le spazzole, si modifica l'ampiezza e la fase della forza elettromotrice iniettata, che cambia sia lo scorrimento che il fattore di potenza. Con un design adeguato è possibile ottenere velocità sub-sincrone, sincrone e super-sincrone dalla stessa frequenza di rete, mantenendo una buona coppia e un fattore di potenza vicino all'unità su gran parte della gamma.

Prima dell'avvento dei convertitori elettronici, questa combinazione era estremamente interessante per i macchinari tessili, i laminatoi e le macchine da stampa. Era possibile ottenere una variazione di velocità fluida, un'elevata efficienza e un controllo ragionevole della potenza reattiva senza convertitori rotanti o apparecchiature ad arco di mercurio. Il prezzo da pagare era un sistema di rotore e commutatore meccanicamente complesso che richiedeva una manutenzione qualificata. Gli operatori dovevano comprendere la regolazione delle spazzole, la regolazione del neutro e l'effetto delle condizioni di contatto sul fattore di potenza.

Esistono anche motori a corrente alternata con commutatore alimentati dallo statore, in cui lo statore viene alimentato direttamente e il commutatore del rotore viene utilizzato principalmente per il controllo del fattore di potenza o la regolazione della velocità piuttosto che per variazioni di ampio intervallo. Questi sono meno comuni e spesso compaiono in installazioni marine o di trazione più datate. L'idea generale è la stessa: EMF iniettato tramite un commutatore per manipolare lo scorrimento e la potenza reattiva senza modificare la frequenza di alimentazione.

Nei progetti moderni, un motore a induzione standard abbinato a un inverter a sorgente di tensione risolve lo stesso problema con un numero inferiore di parti mobili. Pertanto, lo Schrage e i suoi simili sono ora argomenti specialistici: li si studia per comprendere i motori storici o per mantenere in funzione un impianto tradizionale.

Scegliere tra i diversi tipi nei progetti reali

In un progetto completamente nuovo oggi, quasi nessuno specifica un motore a commutatore CA di grandi dimensioni. Ciò non è dovuto all'inefficacia delle macchine, ma al fatto che l'elettronica di potenza rende più facile giustificare le opzioni senza spazzole. Il vero caso d'uso attuale è la sostituzione di un motore guasto in un'apparecchiatura esistente o una modernizzazione incrementale in cui non è possibile giustificare una riprogettazione meccanica completa.

Quando si ha a che fare con un piccolo elettrodomestico o un utensile manuale, la scelta è quasi predeterminata. I motori universali continuano a essere utilizzati perché sono economici, compatti e facili da reperire presso diversi fornitori. Se il rumore, le interferenze elettromagnetiche o la durata delle spazzole diventano un problema serio, si passa a un motore CC senza spazzole o a un motore sincrono a magneti permanenti e si accetta il costo dell'elettronica di comando.

Per i vecchi azionamenti industriali monofase che richiedono ancora una coppia di avviamento elevata, spesso sulla targhetta si trovano macchine a induzione con avviamento a repulsione o macchine a repulsione-induzione. Per la sostituzione, esistono tre soluzioni comuni. Una è un motore a induzione con avviamento a condensatore ad alta coppia con un contattore per impieghi gravosi o un soft starter. Un altro è un motore a induzione trifase con un piccolo VFD alimentato dalla rete monofase. Il terzo, meno diffuso, è un motore a commutatore simile a quello originale fornito da un ricostruttore specializzato, solitamente scelto perché l'involucro meccanico è scomodo e sostituirlo costerebbe più che mantenere il vecchio concetto.

Per i grandi azionamenti a velocità variabile originariamente costruiti con motori Schrage, i team tecnici spesso trattano la macchina esistente come parte dell'attrezzatura meccanica piuttosto che del sistema elettrico. Se il commutatore è in buone condizioni e sono disponibili pezzi di ricambio, è possibile lasciarlo al suo posto e limitarsi a perfezionare la protezione e il monitoraggio. Se il commutatore diventa il collo di bottiglia, è necessario pianificare una conversione a una macchina a induzione e un inverter, ma ciò di solito influisce sull'altezza degli alberi, sui percorsi di raffreddamento e, talvolta, sulla struttura dell'edificio.

Questioni trasversali: caratteristiche comuni a tutti i motori a corrente alternata con commutatore

Diversi vincoli sono comuni a tutti i tipi. Innanzitutto, la commutazione in corrente alternata è intrinsecamente più impegnativa rispetto a quella in corrente continua, poiché le inversioni di corrente nelle bobine dell'armatura devono avvenire su un'alimentazione sinusoidale. Ecco perché gli avvolgimenti di compensazione, i progetti a bassa reattanza e i materiali delle spazzole scelti con cura sono temi ricorrenti nella letteratura.

In secondo luogo, il fattore di potenza e le armoniche sono sempre all'ordine del giorno. I motori in serie e a repulsione possono fornire un buon fattore di potenza in ingresso sotto carico, ma a carico leggero assorbono una corrente magnetizzante significativa e presentano forme d'onda dall'aspetto strano alla rete. Negli impianti con limiti armonici rigorosi, questo è spesso il vero motivo della sostituzione, non lo stato meccanico della macchina.

In terzo luogo, le pratiche di manutenzione sono più importanti rispetto alle macchine a induzione con gabbia. La pressione delle spazzole, le condizioni della superficie del commutatore e la pulizia del percorso di raffreddamento influiscono direttamente sulla commutazione e quindi sulle pulsazioni di coppia, sul rumore e sulla durata. Un motore a commutatore che in teoria è in grado di garantire prestazioni elevate può comportarsi in modo irregolare se la spazzola viene trascurata. Questo è un altro motivo per cui molti ingegneri preferiscono sostituirli piuttosto che formare un nuovo team di manutenzione.

Infine, la qualità della documentazione è spesso scadente. Molti motori più vecchi riportano solo marcature generiche come “serie AC” o “motore a repulsione” senza indicare chiaramente se sono compensati, quale grado di spazzola richiedono o come era originariamente impostato il neutro. Il reverse engineering di tali macchine è più un'attività investigativa che un esercizio di progettazione. Avere un'immagine mentale chiara delle famiglie e del loro comportamento aiuta a dedurre ciò che si sta osservando da alcuni semplici test: coppia all'avvio, risposta allo spostamento della spazzola e corrente alla tensione nominale.

Sommario

I motori a commutatore CA costituiscono un gruppo compatto ma variegato: motori in serie e universali che dominano gli utensili a bassa potenza, macchine basate sulla repulsione che forniscono una coppia di avviamento elevata nei vecchi azionamenti monofase, motori a commutatore shunt e trifase come lo Schrage che soddisfano la storica esigenza di azionamenti industriali a velocità variabile. Il loro filo conduttore è la commutazione meccanica su un'alimentazione CA, con tutti i vantaggi e gli svantaggi che ciò comporta. Comprendere quale tipo si possiede e cosa ciò implica in termini di coppia, controllo, qualità dell'alimentazione e manutenzione è ancora utile anche in un mondo che ora utilizza di default motori a induzione e azionamenti elettronici.