Quali sono le dinamiche dei motori a induzione e sincroni?
Caratteristiche dinamiche dei motori asincroni e sincroni
I motori asincroni (Induction Motor) e i motori sincroni (Synchronous Motor) sono due tipi comuni di motori AC. Differiscono significativamente in struttura, principi di funzionamento e caratteristiche dinamiche. Di seguito viene analizzata la dinamica di questi due tipi di motori:
1. Caratteristiche di avviamento
Motore asincrono:
I motori asincroni hanno solitamente una corrente di avviamento elevata, spesso 5-7 volte la corrente nominale. Questo perché all'avvio, il rotore è fermo e lo scivolamento s=1, il che causa una grande corrente indotta nelle bobine del rotore.
La coppia di avviamento è relativamente bassa, specialmente sotto carico pieno, e può essere solo 1,5-2 volte la coppia nominale. Per migliorare le prestazioni di avviamento, si possono utilizzare starter morbidi o starter stella-triangolo per ridurre la corrente di avviamento e aumentare la coppia di avviamento.
Il processo di avviamento del motore asincrono è asincrono; il motore accelera gradualmente da uno stato fermo fino a una velocità quasi sincrona, ma non raggiunge mai esattamente la sincronia.
Motore sincrono:
Le caratteristiche di avviamento dei motori sincroni dipendono dal loro tipo. Per i motori sincroni autostartanti (come i motori sincroni a magnete permanente o i motori sincroni con bobine di avviamento), possono avviarsi asincronamente come i motori asincroni, ma vengono trascinati in sincronismo dal sistema di eccitazione man mano che si avvicinano alla velocità sincrona.
Per i motori sincroni non autostartanti, sono generalmente necessari dispositivi esterni (come convertitori di frequenza o motori ausiliari) per aiutare l'avviamento del motore fino a quando non raggiunge la velocità sincrona, dopo di che può entrare in operazione sincrona.
I motori sincroni forniscono generalmente una coppia di avviamento più alta, specialmente quelli con sistemi di eccitazione, che possono fornire una notevole coppia durante l'avviamento.
2. Caratteristiche operative a regime stabile
Motore asincrono:
La velocità di un motore asincrono è proporzionale alla frequenza di alimentazione, ma è sempre leggermente inferiore alla velocità sincrona. Lo scivolamento s rappresenta la differenza tra la velocità effettiva e la velocità sincrona, solitamente compreso tra 0,01 e 0,05 (cioè 1%-5%). Uno scivolamento minore comporta un'efficienza maggiore, ma la coppia erogata diminuisce di conseguenza.
La caratteristica coppia-velocità di un motore asincrono è parabolica, con la coppia massima che si verifica a un valore specifico di scivolamento (solitamente lo scivolamento critico). Quando il carico aumenta, la velocità diminuisce leggermente, ma il motore mantiene un'operazione stabile.
Il fattore di potenza di un motore asincrono è solitamente basso, specialmente sotto carico leggero o nullo, possibilmente fino a 0,7. Man mano che il carico aumenta, il fattore di potenza migliora.
Motore sincrono:
La velocità di un motore sincrono è strettamente proporzionale alla frequenza di alimentazione e rimane costante alla velocità sincrona, indipendentemente dalle variazioni del carico. Ciò garantisce una velocità altamente stabile, rendendo i motori sincroni adatti per applicazioni che richiedono un controllo preciso della velocità.
La caratteristica coppia-velocità di un motore sincrono è una linea verticale, indicando che può fornire una coppia costante alla velocità sincrona senza alcuna variazione di velocità. Se il carico supera la capacità di coppia massima del motore, il motore perderà la sincronia e si fermerà.
I motori sincroni possono controllare il fattore di potenza regolando la corrente di eccitazione, consentendo loro di operare in modalità capacitiva o induttiva. Questa caratteristica rende i motori sincroni utili per migliorare il fattore di potenza della rete elettrica.
3. Caratteristiche di risposta dinamica
Motore asincrono:
La risposta dinamica di un motore asincrono è relativamente lenta, specialmente quando il carico cambia bruscamente. A causa dell'inerzia del rotore e dell'inerzia elettromagnetica, c'è un ritardo nel tempo per cui il motore si adatta alle nuove condizioni di carico. Questo ritardo può causare fluttuazioni di velocità, specialmente in applicazioni con carichi pesanti o frequenti avvii e arresti.
L'intervallo di controllo della velocità di un motore asincrono è limitato, solitamente ottenuto variando la frequenza di alimentazione (ad esempio, utilizzando un variatore di frequenza). Tuttavia, ciò può portare a una riduzione della coppia, specialmente a basse velocità.
Motore sincrono:
La risposta dinamica di un motore sincrono è più rapida, specialmente quando il carico cambia. Poiché la velocità del motore è sempre sincronizzata con la frequenza di alimentazione, può mantenere una velocità stabile anche in presenza di variazioni del carico. Inoltre, la risposta della coppia di un motore sincrono è rapida, fornendo la coppia necessaria in un breve lasso di tempo.
I motori sincroni possono regolare la coppia e il fattore di potenza cambiando la corrente di eccitazione, offrendo un controllo più flessibile. Metodi di controllo avanzati come il controllo vettoriale o il controllo diretto della coppia (DTC) possono anche essere utilizzati per ottenere un controllo preciso della velocità e della coppia.
4. Capacità di sovraccarico e protezione
Motore asincrono:
I motori asincroni hanno una certa capacità di sovraccarico e possono sopportare 1,5-2 volte il carico nominale per un breve periodo. Tuttavia, un sovraccarico prolungato può causare surriscaldamento, danneggiando il materiale isolante. Pertanto, i motori asincroni sono solitamente dotati di dispositivi di protezione contro il sovraccarico, come relè termici o sensori di temperatura, per prevenire il surriscaldamento.
La capacità di sovraccarico dei motori asincroni dipende dalla loro progettazione. Ad esempio, i motori asincroni a rotore avvolto hanno generalmente prestazioni migliori al sovraccarico rispetto ai motori a gabbia di scoiattolo, poiché la corrente del rotore può essere regolata utilizzando resistenze esterne.
Motore sincrono:
I motori sincroni hanno una forte capacità di sovraccarico, specialmente quelli con sistemi di eccitazione, che possono gestire 2-3 volte il carico nominale per un breve periodo. Tuttavia, un sovraccarico prolungato può anche causare surriscaldamento.
I motori sincroni sono protetti da vari mezzi, inclusa la protezione contro il sovracorrente, la protezione contro la perdita di passo e la protezione contro i guasti di eccitazione. La protezione contro la perdita di passo impedisce al motore di perdere la sincronia in caso di carico eccessivo, mentre la protezione contro i guasti di eccitazione assicura il corretto funzionamento del sistema di eccitazione.
5. Scenari di applicazione
Motore asincrono:
I motori asincroni sono ampiamente utilizzati nell'industria, nell'agricoltura e negli elettrodomestici, specialmente in applicazioni in cui non è richiesto un controllo di velocità ad alta precisione. Esempi includono ventilatori, pompe e compressori.
A causa della loro struttura semplice, del basso costo e della facilità di manutenzione, i motori asincroni sono spesso la scelta preferita per molte applicazioni.
Motore sincrono:
I motori sincroni sono adatti per applicazioni che richiedono un controllo di velocità ad alta precisione, come macchine utensili di precisione, generatori e grandi compressori. La loro capacità di mantenere una velocità costante e fornire un alto fattore di potenza li rende preziosi nei sistemi di potenza per migliorare l'efficienza della rete.
I motori sincroni sono anche ampiamente utilizzati in applicazioni che richiedono un controllo di velocità preciso e una rapida risposta dinamica, come sistemi servo e robotica.
Riepilogo
Motore asincrono: corrente di avviamento elevata, coppia di avviamento inferiore, velocità leggermente inferiore alla velocità sincrona, risposta dinamica più lenta, adatto per applicazioni industriali e domestiche generali.
Motore sincrono: caratteristiche di avviamento dipendenti dal tipo, velocità sincrona rigorosa, risposta dinamica rapida, adatto per applicazioni che richiedono un controllo di velocità ad alta precisione e un miglioramento del fattore di potenza.
