Metodi di avviamento del motore asincrono: diretto, stella-triangolo, soft starter, inverter

Perché la corrente di avviamento è così alta

Finché il rotore è fermo, lo scorrimento è del 100 %. Il campo rotante taglia i conduttori del rotore alla massima velocità, quindi la corrente rotorica indotta è massima. Questa si riflette sullo statore, e l'unico limite è l'impedenza di dispersione degli avvolgimenti. Risultati tipici:

• Corrente a rotore bloccato: da 5 a 8 volte la corrente nominale per i comuni motori a gabbia
• Coppia di avviamento: da 1,5 a 2,5 volte la coppia nominale
• Durata: finché il motore si avvicina alla piena velocità, tipicamente da 1 a 10 secondi

Una forte corrente di spunto provoca un calo di tensione sulla rete, fa scattare le protezioni e sollecita gli avvolgimenti. Un avviamento a tensione ridotta protegge la rete ma costa coppia, perché la coppia varia con il quadrato della tensione:

T ∝ V²

La scelta del metodo è un compromesso tra corrente di spunto, coppia di avviamento e costo.

Avviamento diretto

Il motore viene collegato alla tensione piena con un solo contattore. Dà la piena coppia di avviamento e la massima corrente di spunto. È il metodo più economico e semplice e si usa per i motori piccoli, spesso fino a pochi kW, o ogni volta che la rete è abbastanza forte da assorbire la corrente di spunto. I distributori spesso limitano l'avviamento diretto a una data taglia di motore.

Avviamento stella-triangolo

Un motore che funziona a triangolo alla tensione di rete, per esempio 400 V su una targa 400/690 V, viene prima collegato a stella e poi commutato a triangolo dopo alcuni secondi. A stella ogni avvolgimento riceve 1/√3 della tensione di linea, quindi

• la corrente di fase è 1/√3 del suo valore a triangolo,
• la corrente di linea è 1/3 del valore dell'avviamento diretto,
• la coppia è 1/3 del valore dell'avviamento diretto.

Richiede tre contattori e un temporizzatore e un motore con sei morsetti portati fuori (vedi la guida sul collegamento stella-triangolo). La commutazione interrompe brevemente l'alimentazione e può causare un picco di corrente e di coppia. L'avviamento stella-triangolo si adatta ad avviamenti leggeri come ventilatori, pompe e macchine a vuoto, ma non a carichi che richiedono più di un terzo della piena coppia di avviamento.

Autotrasformatore e soft starter

Un avviatore ad autotrasformatore alimenta il motore da una presa di un autotrasformatore trifase, come il 50 %, il 65 % o l'80 % della tensione di linea, e poi lo esclude. A una presa k, corrente e coppia del motore scalano come k e k², e poiché il rapporto del trasformatore riduce anche la corrente di linea, la corrente di linea vale k² del valore dell'avviamento diretto. Una presa al 65 % dà circa il 42 % della corrente di linea e della coppia dell'avviamento diretto. È robusto e adatto ai motori grandi, ma ingombrante e costoso.

Un soft starter usa tiristori in antiparallelo su ogni linea. La tensione sale da un valore iniziale al valore pieno in un tempo impostato, tipicamente da 2 a 30 secondi, poi si chiude un contattore di bypass. Dà un'accelerazione dolce, un limite di corrente regolabile e arresti graduali, ma la corrente di linea è uguale alla corrente del motore, quindi con un rapporto di tensione k la coppia è k² e la corrente k.

Avviamento con inverter e con resistenza rotorica

Un inverter (variatore di frequenza) avvia il motore a bassa frequenza e aumenta insieme frequenza e tensione. Il motore lavora per tutto il tempo vicino alla parte ripida e stabile della sua curva coppia–velocità, quindi può produrre una coppia elevata all'avviamento (circa la coppia nominale o più) assorbendo circa la corrente nominale o poco più. L'inverter è la scelta migliore per coppia e dolcezza, e offre anche la regolazione di velocità (vedi la guida sul controllo V/f), ma è il più costoso.

Un motore a rotore avvolto (ad anelli) segue un'altra strada. Una resistenza nel circuito rotorico, collegata attraverso gli anelli, aumenta la coppia di avviamento riducendo la corrente. La coppia massima resta la stessa, ma il suo scorrimento cresce in proporzione alla resistenza rotorica totale. Quando la resistenza rotorica (riferita allo statore) è circa uguale alla reattanza di dispersione a rotore fermo, la coppia massima si ha a rotore fermo e la coppia di avviamento è al suo massimo. La resistenza viene esclusa a gradini man mano che il motore accelera. Era un tempo il modo standard per avviare carichi pesanti come gru, mulini e compressori, e oggi è in gran parte sostituito dagli inverter.

Esempio svolto e confronto

Si prenda un motore da 4 kW, 400 V con corrente nominale di 8,2 A e coppia nominale di 26,5 N·m, con valori di avviamento tipici di 6 volte la corrente nominale e 2 volte la coppia nominale in avviamento diretto.

• Diretto: 6 × 8,2 = 49 A, 53 N·m
• Stella-triangolo: 49 / 3 ≈ 16 A, 53 / 3 ≈ 18 N·m
• Autotrasformatore al 65 %: 0,65² × 49 ≈ 21 A, 0,65² × 53 ≈ 22 N·m
• Soft starter con tensione iniziale del 50 %: 0,5 × 49 ≈ 25 A, 0,5² × 53 ≈ 13 N·m
• Inverter: circa la corrente nominale (da 8 a 12 A) a circa la coppia nominale o più, a bassa frequenza

In sintesi: avviamento diretto quando la rete lo consente, stella-triangolo per ridurre a basso costo la corrente di spunto negli avviamenti leggeri, autotrasformatore dove serve una coppia maggiore, soft starter per avviamenti dolci e regolabili, inverter dove servono la regolazione di velocità o la piena coppia all'avviamento, e resistenza rotorica per azionamenti a rotore avvolto con avviamenti gravosi.

Provalo nei simulatori dei motori a induzione

Nel simulatore del motore a induzione trifase il comando Metodo di avviamento offre Diretto, Stella-triangolo, Autotrasformatore, Avviatore statico (soft starter) e Inverter. Le impostazioni correlate sono Tempo di commutazione a piena tensione (predefinito 3 s), Presa dell'autotrasformatore (predefinita 65 %), Tensione iniziale del soft starter (predefinita 40 %) e Tempo di rampa (predefinito 5 s). Leggi le letture Corrente di avviamento massima, Corrente di avviamento massima (× In) e Tempo di avviamento, e premi Accendere nell'esperimento Curve di velocità e corrente per vedere le curve nel tempo.

• Esegui con l'avviamento diretto e annota il rapporto della corrente di picco.
• Seleziona Stella-triangolo. Il simulatore applica 1/√3 della tensione nella prima fase, con un indicatore Y→Δ sul grafico dove passa alla tensione piena dopo il Tempo di commutazione a piena tensione.
• Seleziona Autotrasformatore e Avviatore statico (soft starter). Confronta le correnti di picco con le regole k e k² viste sopra (il picco può verificarsi alla commutazione alla tensione piena), e nota il Tempo di avviamento più lungo.
• Seleziona Inverter. Frequenza e tensione salgono insieme da un valore basso (circa 1 Hz) ai valori impostati nel Tempo di rampa.
• Aumenta il Carico meccanico o prova un altro Tipo di carico, e vedi quali metodi accelerano lentamente o non riescono ad avviarsi.

Il simulatore del motore a induzione a rotore avvolto ha gli stessi comandi più Resistenza rotorica esterna, Modalità resistenza rotorica (Fissa o Reostato a gradini), Resistenza del reostato all'inserzione, Numero di gradini e Durata di ogni gradino. Confronta le letture Coppia di avviamento e Coppia di spunto (anelli cortocircuitati) mentre aumenti la resistenza, e osserva lo spostamento dello Scorrimento della coppia massima.

Provalo nel simulatore