Sul forum di ElectroYou

da quando si chiamava ancora Electroportal (ma lo stesso avviene in tutti i forum in cui si parli di elettrotecnica), nella sezione dedicata ai motori elettrici e agli azionamenti, vengono spesso inoltrate da parte degli utenti, richieste riguardo la possibilità e le modalità di collegare un motore elettrico asincrono trifase (in seguito M.A.T) alla propria utenza domestica monofase 230 V.

Le applicazioni sono le più disparate, ma le risposte che vengono date sono spesso le stesse, nell'attesa che i fenomeni dell'induzione elettromagnetica vengano modificati!

L'obbiettivo che mi dò in questo articolo è di fare un po' di chiarezza e di dare qualche informazione utile riguardo l'argomento, nonché di illustrare nel modo più chiaro possibile le modalità di esecuzione - quando possibile e conveniente- di tale trasformazione.

Premesse

L'articolo non intende incentivare l'utente inesperto alla messa in pratica di collegamenti elettrici di macchine elettriche funzionanti a tensione di rete 230 V - 50 Hz (potenzialmente mortale in caso di contatto col corpo umano).
Tuttavia, in rete si trova di tutto e di più, quindi, fermo restando che questo articolo non può sostituire una buona preparazione personale teorico-pratica sull'argomento, cercherò di focalizzare l'attenzione anche sul discorso relativo alla sicurezza elettrica.

Conoscenze richieste

Chiunque si trovasse a volere eseguire modifiche ai collegamenti di macchine elettriche come quelle trattate nell'articolo, deve necessariamente possedere almeno i seguenti requisiti:

• Conoscenza dei concetti di tensione (potenziale elettrico), intensità di corrente, resistenza, potenza elettrica
• Consapevolezza nell'applicazione della legge di Ohm e delle varie formule da essa derivate
• Consapevolezza del rischio e del pericolo di folgorazione
• Buona padronanza nell'uso del multimetro (tester)
• Capacità riflessiva e buonsenso

Ritengo non sia il caso, in questa fase, di approfondire nozioni riguardo "dettagli" quali ad esempio la differenza tra collegamento a stella e collegamento a triangolo degli avvolgimenti o riguardo le modalità di instaurazione di una F.M.M. (forza magnetomotrice) o di un campo magnetico rotante o ancora riguardo agli angoli di sfasamento di una terna simmetrica di tensioni stellate e concatenate, insomma, vorrei farla breve e poi, detto sinceramente non credo di essere in grado di affrontare tutti questi argomenti come si deve. Per questo vi rimando ai blog di utenti più autorevoli quali admin, RenzoDF, lele_u_biddrazzu ed altri ancora.

Quando un M.A.T 400V può essere modificato per funzionare a 230V

Tensione sugli avvolgimenti

Caratteristica imprescindibile per potere eseguire l'adattamento di un M.A.T progettato per funzionare in reti trifasi a 400 V (o a 230 V) concetenati, in una rete monofase a 230 V è data da un'indicazione che potete leggere sulla targa del motore stesso.

Modifica fattibile:
(o qualcosa del genere)

Modifica non fattibile:
(o qualcosa del genere)

Occhio alle tensioni! La modifica è possibile solo quando al collegamento a triangolo (Δ) è associata una tensione di 220-240 V.

Tuttavia, quanto appena detto, non è sufficiente per potere procedere con la trasformazione, vediamo perché.

Perdita di potenza e applicazioni

Ogni M.A.T è caratterizzato da una potenza meccanica resa "all'asse", che divisa per il rendimento specifico dello stesso motore determina poi la potenza elettrica assorbita dalla rete.
Questo concetto ovviamente si riferisce alle condizioni nominali di impiego, ovvero, dando per scontato che il motore funzioni in accordo ai dati di targa riportati dal costruttore.

Nella messa in servizio di un M.A.T in un sistema monofase, queste condizioni non sussistono poichè manca un (due per la verità) conduttore all'alimentazione, il che per costruzione stessa del M.A.T, ne rende impossibile anche il solo avviamento a vuoto.
Vedremo a breve, come superare questo scoglio.

E'importante sottolineare come nella trasformazione del M.A.T da trifase (400 V) a monofase (230 V), si perda per strada più o meno la metà della coppia e della potenza meccanica nominale dichiarata.

Quanto appena detto, dovrebbe scoraggiare improbabili modifiche laddove si vogliano ottenere prestazioni accettabili (paragonabili ad un motore di stessa potenza nominale, ma "nato" per sistema monofase) su applicazioni di una certa gravosità.
Tuttavia, visto il costo irrisorio di un condensatore, molti non si convincono e non si arrendono all'evidenza, finché non hanno toccato con mano.

Ad essere penalizzate, sono sicuramente tutte quelle applicazioni in cui il motore viene fatto partire "sotto carico" e/o in cui la coppia necessaria è paragonabile alla coppia dichiarata per il M.A.T in questione, che come detto, nel funzionamento monofase, è chiaramente declassata.

Il condensatore

Ed ecco la panacea al problema del mancato avviamento rotorico.
Il condensatore, rompe l'equilibrio dei due campi rotanti di verso opposto (che si controbilanciano) creando squilibrio anche alle rispettive coppie motrici. A quel punto, il rotore inizia a girare nello stesso verso del campo rotante statorico.

Formula spannometrica per determinare la capacità del condensatore

C'è una formula per quantificare la giusta capacità del condensatore da inserire in morsettiera.
Tuttavia, trovato un valore presunto, sarebbe bene eseguire altre prove con dispositivi di capacità prossima, monitorando di volta in volta la corrente assorbita dal motore e soprattutto il surriscaldamento di questi.

Dove,
C = Capacità del condensatore in μF
P = Potenza meccanica del motore espressa in CV o HP è la stessa cosa ()
V = Tensione di rete (monofase)
f = Frequenza di rete

La formula, semplificata (per reti a 220 V - 50 Hz) diventa:

Più avanti, vedremo un esempio di come procedere.

Per esperienza personale però, questa formula è un po' pessimista, in base al valore in μF saltato fuori, provate comunque con una o due taglie commerciali (del condensatore) inferiori.

ATTENZIONE, IL CONDENSATORE CHE ANDRETE AD UTILIZZARE DEVE FARE RIFERIMENTO AD UNA TENSIONE DI 450 V.

Il motore e i dati di targa

Passiamo adesso ad un esempio pratico di modifica su un motore reale.
Prendiamo in considerazione un'elettropompa da mezzo cavallo come quella in figura.

elettropompa trifase

Adesso guardiamo i dati di targa.

dati di targa

La tensione di alimentazione degli avvolgimenti (230 V-Δ) si presta alla prova di funzionamento in monofase (bifase) con condensatore permanentemente inserito.

Applichiamo ora la formula spannometrica per il calcolo della capacità del condensatore con la formula semplificata:

Io sono portato ad andare un po' al ribasso, proveremo così con tre taglie di condensatori, da 14, 16 e 18 μF.

Avendo scelto un'elettropompa e volendo evitare di lavorare in questa fase anche con presenza d'acqua, scollegherò la girante per evitare la marcia a secco di quest'ultima, mantenendo tuttavia la molla e il premistoppa, che costituiscono comunque un relativo impedimento per la rotazione dell'asse .

smontaggio della girante

Collegamenti ed accorgimenti, procedimento passo passo

Per prima cosa, fissiamo il motore su una base rettangolare di legno truciolato, in questo modo evitiamo sobbalzamenti della carcassa al momento dell'avviamento.

Aprendo il coperchio della morsettiera del motore, troviamo la stessa già presisposta per il collegamento a stella (Y) a 400 V.

così non va bene!

Procediamo scollegando i ponti della chiusura di centrostella, svitando i relativi dadi con apposita chiave a bussolotto (normalmente da 7 mm o da 8 mm).

scollegamento del centrostella

Fate sempre attenzione quando svitate i dati e rimuovete i ponti in rame e le rondelle. Queste ultime, insieme ai dadi tendono a scappare dalle dita per infilarsi nel vano di accesso allo statore.
Una volta rimossi, disponete i pezzi nel coperchio smontato, così eviterete di perderli (altro classico).

"vassoio" porta minuteria

A questo punto, vanno preparati i cavi di cablaggio.
Per la nostra applicazione, un cavo guainato (tipo FROR o FG7) 3G1,5 mm² va più che bene, anzi diciamo pure che è "esagerato", la corrente nominale è infatti inferiore ai 2A, ma una sezione minore è l'ultimo dei miei pensieri.

Per il collegamento del condensatore, usiamo cordine unipolari sempre da 1,5 mm², almeno finchè stiamo facendo delle prove. Al momento del montaggio definitivo, quando si procederà a posizionare il condensatore, si sostituiranno con uno spezzone di cavo guainato 2x1,5 mm².

cavo di alimentazione

I due spezzoni di cordina per il collegamento del condensatore, devono essere intestati con dei faston femmina preisolati da una lato, e con capicorda preisolati ad occhiello dall'altro. Ovviamente il tutto opportunamente dimensionato in relazione alla sezione dei conduttori utilizzati.

intestazione del "connettore" per il condensatore

Allo stesso modo, anche le terminazioni del cavo di alimentazione 2P+T vanno intestate con capicorda ad occhiello come quelli appena visti.

Successivamente, la prima cosa da fare è connettere il conduttore di protezione (giallo/verde) al punto/morsetto di messa a terra individuabile dall'apposito simbolo di "massa".

cavi intestati, pronti per le connessioni

Possiamo collegare il primo condensatore, quello da 14 μF al nostro connettore. E' ovviamente ininfluente la posizione con cui colleghiamo i faston, solo, state attenti a non collegare entrambi i fili sulle lamelle "maschio" dello stesso polo del condensatore.

collegamento del condensatore

dettaglio connessione

Adesso, bisogna predisporre i ponti in rame, o le piastrine, chiamatele come più vi piace, per il collegamento a triangolo.

così va bene

Si possono ora fissare la fase e il neutro di alimentazione (della nostra rete di fornitura), non ha importanza rispettare alcuna "polarità".
Nella foto seguente, il conduttore azzurro (neutro/fase di alimentazione) è stretto sul primo morsetto in basso a sinistra (U1), mentre quello marrone (fase/neutro di alimentazione) si attesta sul morsetto accanto (V1).

collegamento alimentazione

A questo punto, bisogna collegare i due terminali del condensatore.
Un capo, il filo nero, lo si stringe sull'ultimo morsetto rimasto libero della serie inferiore (W1), l'altro capo invece, il filo arancione, va collegato ad uno degli altri due morsetti.
Questa scelta determina il senso di rotazione del motore.
Scelgo di collegare il condensatore tra W1 e V1 (l'alternativa è W1 - U1), siccome ho poco spazio, collego l'arancione su U2, ma non cambia nulla poichè V1 e U2 sono cortocircuitati dalla piastrina di rame.

collegamenti terminati

pronti per dare tensione

Dopo esserci accertati che la linea da cui andiamo ad alimentare il nostro motore sia adeguatamente protetta da sovracorrenti e da dispersioni (presenza di interruttore magnetotermico + differenziale da 30 mA), possiamo inserire la spina 2P+T che si trova all'altro capo del nostro cavo di alimentazione.
Io la spina, l'ho collegata ad una presa comandata da interruttore bipolare che funge occasionalmente da interruttore di marcia/arresto.

Nell'installazione definitiva, il motore è meglio se lo si avvia tramite relè o contattore (in classe AC3) e lo si protegge con oppurtuno relè termico/salvamotore o meglio ancora con pastiglia termica (Klixon) montata più vicino possibile allo statore o a ridosso della carcassa.

Dando tensione al motore, mi accorgo con poca sorpresa a dire il vero, che seppure con un leggerissimo stento il motore, col condensatore da 14 μF si avvia in senso antiorario (che poi è il senso in cui obbliga la freccia impressa sul corpo pompa).

Ne approfitto per eseguire qualche misura.

La corrente assorbita oscilla tra 1,2 e 1,5 A (seppure siamo quasi "a vuoto") rispetto all' 1,9 A indicato in targa con collegamento 3f 230 V, ma ciò è abbastanza normale con questo collegamento.

rilevamento corrente

altro rilevamento

Le tensioni rilevate sono invece le seguenti:

Come si può vedere, a differenza di un'alimentazione trifase 400 V (o 230 V), le tensioni non sono simmetriche, e nemmeno le correnti sui tre fili.
Il motore, tuttavia, andrebbe provato nelle condizioni di normale funzionamento (pieno carico), l'asimetria in questo caso tenderebbe ad aumentare ancora. Per questo motivo, vanno verificate le correnti a pieno carico, queste infatti, potrebbero risultare eccedenti le nominali, generando fenomeni di sovratemperatura negli avvolgimenti, con conseguente aumento dell'usura e di riflesso, probabili guasti.

Il condensatore da 14 μF mi sembra un po' risicato, quindi ripeto le prove con quelli da 16 μF e da 18 μF.

Lo stento iniziale è completamente sparito, anche se era davvero poca cosa; il motore gira bene e non surriscalda, ragion per cui, il mio consiglio di tenersi un po' più bassi, in termini di capacità, rispetto al valore che esce fuori dalla formula, sembra verificato.

Invertire il senso di rotazione

Siamo in dirittura d'arrivo, probabilmente potevo risparmiare tante parole e andare direttamente al sodo, ma non mi sarebbe piaciuto granchè.
La domanda che parallelamente viene posta, quando si chiedono "lumi" sulla trasformazione da trifase a monofase, riguarda le modalità in cui invertire la rotazione dell'asse.

Purtroppo, o per fortuna, invertire la spina non sortisce alcun effetto sulla rotazione del motore.

Per invertire il senso di rotazione, bisogna modificare un collegamento sulla morsettiera.
Riprendiamo, con l'aiuto di FidoCadJ, la situazione dalla quale siamo partiti in cui il nostro motore era collegato secondo questo schema:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Per invertire la rotazione, possiamo semplicemente spostare il secondo collegamento del condensatore (il nostro filo arancio) in questo modo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Visivamente l'effetto è il seguente:

spostamento

Il filo arancione, che nel collegamento precedente si trovava sul morsetto U2, è stato spostato sul morsetto W2, il senso di rotazione è stato invertito.

Non resta che provare il motore e sistemare per bene le connessioni, compreso il posizionamento del condensatore.
Momentaneamente non ho il tempo di farlo, ma non escludo un completamento che comprenda queste sistemazioni "logistiche" e la messa in funzione dell'elettropompa modificata.
Per la logica di comando ed eventuale teleinversione, anche questo, argomento molto gettonato, vi rimando ad un futuro articolo, tempo libero permettendo.

Per ora, vi lascio con un breve video relativo al funzionamento con condensatore da 14 μF. Come si può vedere, quello che definivo un piccolo stento, non si vede nemmeno.

Video