Come si avviano i motori asincroni monofase: fase divisa, condensatore e poli schermati

Un campo pulsante sono due campi rotanti

L'avvolgimento principale di un motore monofase crea un campo magnetico che resta su un solo asse e varia in modo sinusoidale nel tempo. Questo campo pulsante si può scomporre matematicamente in due campi rotanti di metà ampiezza, uno diretto e uno inverso, entrambi alla velocità di sincronismo N_s = 120 × f / p.

Un rotore fermo vede entrambi i campi con scorrimento 1. Producono coppie uguali e opposte, quindi la somma è zero: non c'è coppia di spunto, e il rotore può restare fermo ronzando in entrambe le direzioni. Se il rotore viene girato a mano, il campo diretto ha scorrimento s e il campo inverso ha scorrimento 2 − s. Prevale allora la coppia diretta, e il motore accelera e porta il suo carico.

Questo modello a doppio campo spiega anche perché un motore monofase in marcia sia meno capace di uno trifase: il campo inverso spreca sempre un po' di coppia e aggiunge perdite. Anche la coppia pulsa al doppio della frequenza di alimentazione, 100 Hz con alimentazione a 50 Hz, ed è la fonte del ronzio e delle vibrazioni.

La cura: un secondo campo sfasato

Se un secondo avvolgimento, spostato di 90 gradi elettrici nello spazio, porta una corrente sfasata nel tempo, i due campi si combinano in un campo che ruota in un solo verso. Più lo sfasamento temporale si avvicina a 90°, e più le due correnti sono simili in modulo, migliori sono la rotazione e la coppia di spunto.

Tutti i metodi sono modi per ottenere quello sfasamento temporale da un'unica alimentazione. Tranne che nei motori a poli schermati, l'avvolgimento in più si chiama avvolgimento ausiliario o di avviamento, e l'avvolgimento principale si chiama avvolgimento di marcia.

I tipi di motore

• Fase divisa: l'avvolgimento ausiliario è avvolto con filo più sottile e ha più resistenza e meno reattanza dell'avvolgimento principale, il che dà un piccolo sfasamento, forse 30°. La coppia di spunto è moderata, circa una volta e mezza la coppia nominale, con alta corrente di avviamento. Usato per ventole, soffianti e piccole pompe.
• Condensatore di avviamento: un condensatore in serie con l'avvolgimento ausiliario porta la sua corrente quasi a 90° in anticipo rispetto alla corrente principale. La coppia di spunto è alta, circa tre volte la nominale, con corrente più bassa. Usato per compressori, pompe e utensili da officina.
• Condensatore permanente (PSC): condensatore e avvolgimento ausiliario restano sempre in circuito. La coppia di spunto è bassa, una frazione di quella nominale, ma il motore gira in modo regolare con un fattore di potenza migliore e senza interruttore. Usato per ventole e alcune pompe.
• Condensatore di avviamento e di marcia (CSCR): un grosso condensatore di avviamento viene disinserito a regime mentre un condensatore di marcia più piccolo resta in circuito. Combina l'alta coppia di spunto del condensatore di avviamento con la marcia regolare del PSC, e si adatta a compressori per servizio gravoso.
• Poli schermati: un anello di rame attorno a una parte di ciascun polo ritarda il flusso in quella parte e crea un debole spostamento del campo attraverso il polo. La coppia di spunto è bassa, il rendimento è scarso, ma il motore è molto economico e robusto. Usato per piccole ventole, nel campo da 5 a 100 W, e per soffianti di elettrodomestici.

L'interruttore centrifugo

Un avvolgimento di avviamento con un grosso condensatore è pensato solo per pochi secondi. A circa il 75 % della velocità di sincronismo un interruttore centrifugo sull'albero, con masse caricate a molla che si spostano verso l'esterno con la velocità, si apre e scollega l'avvolgimento di avviamento (e il condensatore di avviamento). Il motore prosegue poi con l'avvolgimento principale, e con il condensatore di marcia se ne ha uno. Relè elettronici o termistori PTC svolgono lo stesso compito in molti motori moderni.

Se il motore non riesce a raggiungere la velocità di distacco, perché è sovraccarico o la tensione è bassa, l'avvolgimento di avviamento resta collegato e si surriscalda rapidamente. Un ronzio senza rotazione, o un motore che parte e poi gira molto caldo, indica spesso un interruttore o un condensatore guasto.

L'inversione di un motore a fase divisa o a condensatore si ottiene scambiando i collegamenti dell'avvolgimento ausiliario rispetto a quello principale. Invertire i fili di alimentazione non fa nulla, perché i due avvolgimenti si invertono insieme.

Esempio svolto

Si prenda un motore a condensatore di avviamento a quattro poli, 50 Hz.

1. Velocità di sincronismo: N_s = 120 × 50 / 4 = 1500 giri/min. 2. L'interruttore centrifugo si apre al 75 % di N_s = 1125 giri/min. 3. A 1400 giri/min lo scorrimento del campo diretto è s = (1500 − 1400) / 1500 = 0,067, cioè 6,7 %, mentre il campo inverso vede uno scorrimento di 2 − s = 1,93, quindi contribuisce con pochissima coppia a quella velocità. 4. La frequenza della pulsazione di coppia è 2 × 50 = 100 Hz.

Per un motore a condensatore, il condensatore di avviamento è dell'ordine di centinaia di microfarad per kilowatt, molto più grande del condensatore di marcia. Un motore con un condensatore di avviamento troppo piccolo ha un avviamento debole, e uno troppo grande assorbe corrente eccessiva e sollecita l'avvolgimento.

Come il simulatore modella i motori monofase

Il simulatore è un modello didattico, indicato come tale nell'interfaccia. La velocità di sincronismo è 120 × f / p. Il punto di funzionamento si trova dove la curva coppia–velocità, somma delle coppie degli avvolgimenti principale e ausiliario, incrocia una coppia di carico costante, e lo scorrimento segue da quel punto.

La coppia di spunto deriva da rapporti fissi per tipo al valore ottimale del condensatore, e un condensatore lontano da quel valore la riduce: circa 3 volte la coppia nominale per condensatore di avviamento e CSCR, circa 1,5 volte per fase divisa, circa 0,6 volte per PSC e circa 0,4 volte per poli schermati. L'interruttore centrifugo esclude l'avvolgimento di avviamento al 75 % della velocità di sincronismo (non nei motori PSC e a poli schermati). I condensatori più adatti sono circa 250 µF per kW per il condensatore di avviamento e 35 µF per kW per un condensatore di marcia (PSC e CSCR), quindi un motore CSCR da 0,75 kW avrebbe circa 190 µF e 26 µF.

Con l'avvolgimento ausiliario scollegato la coppia di spunto è zero e il rotore resta bloccato, con la corrente a rotore bloccato che circola. Il modello non è un circuito equivalente a doppio campo e non serve per dimensionare condensatori o protezioni.

Provalo nel simulatore del motore asincrono monofase

Apri il simulatore del motore asincrono monofase.

• Imposta Avvolgimento ausiliario su Scollegato (non mostrato per i poli schermati). Il motore non gira, e un avviso spiega che il solo avvolgimento principale non ha coppia di spunto. Nella scena 3D il campo dell'avvolgimento principale si limita a pulsare.
• Rimettilo su Collegato: compare un campo rotante e il rotore accelera.
• Cambia Tipo di motore tra Fase divisa, Condensatore di avviamento, PSC (condensatore permanente), Condensatore di avviamento e di marcia (CSCR) e Poli schermati, e confronta la lettura Coppia di avviamento (in multipli della coppia nominale) e lo stato di Avvolgimento di avviamento (Inserito o Disinserito; per i poli schermati la lettura si chiama Anelli di schermo).
• Varia il valore del Condensatore (non mostrato per fase divisa e poli schermati). Il suggerimento indica il valore ideale in µF; lontano da esso compare un avviso e la coppia di spunto cala. Per il CSCR ci sono cursori separati Condensatore di avviamento e Condensatore di marcia.
• Aumenta il Carico meccanico finché un motore non riesce ad avviarsi. I motori a poli schermati hanno una coppia di spunto così piccola che un carico modesto basta a tenere il rotore bloccato, e un avviso lo segnala.
• Imposta Senso di rotazione su Invertito (nascosto per i poli schermati, il cui verso è fissato dall'anello). Poi esegui l'esperimento temporizzato per vedere velocità e corrente nel tempo.

L'esperimento mostra che il secondo avvolgimento o l'anello serve solo all'avviamento, e che a far girare il motore è l'avvolgimento principale.

Provalo nel simulatore