Inversione del senso di rotazione di un motore industriale trifase
Reversing a three-phase motor is more than swapping two leads. This guide covers phase sequence, VFD settings, reversing contactors, encoder feedback, load checks, lockout, and commissioning tests.
L'inversione del senso di rotazione dei motori trifase è un argomento citato praticamente in ogni fonte online che tratta di motori.
I metodi più complessi includono circuiti di inversione, inverter o azionamenti programmabili oppure avviatori invertitori interbloccati. Queste tecniche sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni automatizzate in cui il motore deve invertire regolarmente il senso di marcia, soprattutto quando è importante un controllo preciso della velocità.
Inversione del senso di rotazione: il metodo semplice
Per un motore che deve funzionare in una sola direzione, la soluzione più semplice consiste nell'invertire due dei fili di ingresso fisici provenienti dall'alimentazione. In realtà, è esattamente ciò che accade all'interno di quegli inverter e avviatori invertitori, ma tutto rimane nascosto «sotto il cofano».
Ma come funziona esattamente? Perché invertire un paio di fili ha un'influenza così grande su un motore enorme?
Consulta sempre le istruzioni del produttore del motore per assicurarti di invertire correttamente il senso di rotazione. Non tutti i motori hanno gli stessi requisiti, ma la maggior parte dei motori trifase funziona secondo gli stessi principi.
Fondamenti dei motori trifase
Iniziamo analizzando i componenti principali all'interno di un motore trifase. Se preferisci un esempio visivo di tutti i componenti presenti in un tipico motore CA, dai un'occhiata a questo popolare articolo su Control.com, che mostra lo smontaggio di un motore.
In questo articolo ci concentreremo solo sullo statore e sul rotore.
- Lo statore è la parte fissa del motore, composta da bobine che, quando alimentate con corrente alternata, creano un campo magnetico rotante all'interno del motore.
- Il rotore è posizionato al centro dello statore. È costituito da nuclei ferromagnetici (talvolta magneti permanenti) che reagiscono al campo magnetico rotante dello statore, costringendo il rotore a girare.
Per ottenere la rotazione, sia lo statore sia il rotore sono componenti essenziali. Lo statore genera un campo elettrico rotante, che spinge gli elementi ferromagnetici del rotore nella direzione del campo elettrico, determinando così la rotazione.
Creazione della forza motrice
Con la corrente alternata (CA), il campo magnetico creato dalla corrente inverte la polarità alla frequenza della corrente fornita. Questo crea un andamento sinusoidale. L'inversione della polarità ci permette di creare una forza magnetica in costante movimento.
Come si presenta visivamente? Per spiegarlo, useremo un motore CA standard con sei bobine (tre fasi distribuite uniformemente) nello statore per mostrare come si muove la forza.
Figura 1. Questa animazione mostra come il campo magnetico viene creato dalle bobine nello statore. Immagine utilizzata per gentile concessione di Control Automation
All’interno dello statore sono presenti tre gruppi di bobine, indicati come bobine A, B e C, ciascuno posizionato a 120 gradi dagli altri. Ogni gruppo comprende un polo positivo (A, B, C) e uno negativo (A•, B•, C•), direttamente opposti. Entrambi i gruppi sono avvolti nella stessa direzione, così che in ogni momento entrambi i poli spingano il rotore nella stessa direzione, oraria o antioraria.
La corrente elettrica alternata induce variazioni nella polarità delle bobine, generando una forza che agisce tangenzialmente alla direzione dell’avvolgimento della bobina. Questa forza consente al rotore di ruotare in risposta al campo magnetico indotto dalla corrente alternata, come illustrato nella Figura 2.
Figura 2. Questa immagine mostra la direzione della forza creata dalla variazione del campo magnetico nell’ordine A, poi C, poi B. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore
Comprendere le fasi
Sebbene la figura sopra mostri il funzionamento delle forze elettriche, dobbiamo anche capire che tutti i gruppi di bobine devono essere collegati a una fase diversa. Proprio come le bobine sono distanziate di 120 gradi, dobbiamo anche distanziare di 120 gradi la temporizzazione dei picchi del nostro campo magnetico; altrimenti il rotore si bloccherebbe e non ruoterebbe. Per simulare questo fenomeno, useremo il campo sinusoidale creato da ciascuna fase, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Questa immagine mostra i valori di picco della corrente generata per le bobine nell’ordine A, C e B, rappresentati da un’onda sinusoidale. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore
Se confrontiamo le figure precedenti, possiamo vedere che ogni bobina e ogni fase di linea è sfasata di 120 gradi; ma cosa comporta questo per lo statore e il motore?
Con questo sfasamento, la forza magnetica potenziale di picco si sposta intorno allo statore e crea la forza tangenziale mostrata nella Figura 2. In questo esempio, possiamo vedere che la rotazione procederebbe da A (blu) a C (giallo) a B (rosso), ovvero in senso orario, secondo la nostra figura.
E se volessimo procedere in senso antiorario? Come già sappiamo, è sufficiente invertire due dei tre collegamenti. In questo esempio, invertiremo i collegamenti C e B. Si otterrebbe il modello sinusoidale trifase mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Questa immagine mostra l’onda sinusoidale creata invertendo i collegamenti B e C, con conseguente ordine A, B, C. Immagine utilizzata per gentile concessione dell’autore
Dopo aver invertito i nostri collegamenti B e C, ora possiamo vedere che i nostri campi magnetici di picco si creano nell’ordine A (blu), B (rosso), C (giallo), invertendo le forze create dalla configurazione iniziale e generando una rotazione in senso antiorario, come possiamo vedere nella Figura 5.
Figura 5. Questa figura illustra l'inversione della forza generata dalle forze magnetiche quando abbiamo scambiato i terminali: A, poi B, poi C. Immagine utilizzata per gentile concessione dell'autore
Comprendere il cablaggio: stella e triangolo
Per i motori industriali trifase esistono due tipi di schemi di avvolgimento, ciascuno con vantaggi specifici. Ma queste differenze influiscono sul modo in cui i campi elettrici vengono invertiti quando si scambiano i terminali?
Senza entrare troppo nei dettagli delle differenze (che da sole costituiscono diversi articoli, come questo sul cablaggio dei motori e questo che spiega i motori con avvolgimento a triangolo), mi concentrerò solo sul motivo per cui questi schemi di avvolgimento consentono di invertire il senso di rotazione del motore.
Figura 6. Cablaggio a stella (stella o Y) e a triangolo. Immagine utilizzata per gentile concessione di Control Automation
Sia nella configurazione delle bobine a stella (Y o wye) sia in quella a triangolo, le bobine resistive sono suddivise in tre segmenti distinti, come si può vedere nella Figura 6 sopra. Ciò vale indipendentemente dal numero di terminali T esposti del motore, che possono essere 3, 6, 9 o 12. I tre segmenti sono distribuiti uniformemente intorno allo statore per fornire una forza elettrica equilibrata al rotore.
La differenza risiede nella resistenza tra i terminali e, di conseguenza, nella quantità di corrente che genera la forza magnetica. Pertanto, sebbene la disposizione del cablaggio interno possa influire sulla potenza del motore, NON influisce sul modo in cui possiamo scambiare i terminali per invertire il senso di rotazione.
Comprendere il cablaggio dei motori
Il cablaggio dei motori non è un argomento semplice, poiché richiede la comprensione di forze elettriche e magnetiche invisibili. Tuttavia, una conoscenza di base del principio di funzionamento alla base di una pratica comune può migliorare le tue competenze nella prevenzione e nella risoluzione di costosi problemi dei motori.
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