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Con una certa frequenza sul forum si parla del motore ad induzione monofase, si postano domande sul funzionamento, sulla funzione del condensatore e la sua sostituzione, sulle connessioni per invertire il senso di marcia, e così via.
L'intento dell'articolo è di illustrare le tipologie principali e provare a chiarire alcuni dubbi, inoltre per me è l'occasione di tornare indietro nel tempo, rispolverando appunti e testi di elettrotecnica.

Indice

1 1. Premessa
2 2. Cenni sulla caratteristica meccanica
3 3. Perché due avvolgimenti?
4 4. Tipologie di motori monofase
5 5. Connessioni & inversione di marcia
6 6. Disgiuntori per l'avviamento
7 7. Sostituzione del condensatore
8 8. Variazione della velocità
- 8.1 8.1 Diminuzione della tensione di alimentazione
- 8.2 8.2 Variazione della frequenza di alimentazione
9 9. Conclusione
10 10. Riferimenti

1. Premessa

Il motore asincrono trifase è forse la tipologia di motore elettrico più utilizzata nell'industria: semplice, robusto ed affidabile, qui parleremo di quello monofase, chiamato anche motore ad induzione monofase, utilizzato per potenze modeste (fino a qualche kW) ed in vari impieghi, ad esempio in elettrodomestici, pompe, ventilatori, compressori, serrande/tapparelle, macchine per la lavorazione del legno.

Alcuni fanno confusione con il collegamento di un motore asincrono trifase alla rete monofase tramite un condensatore, ma quello è un altro discorso ed Attilio ha già scritto un utile e completo articolo.

Il motore monofase è costruttivamente simile al trifase, con rotore generalmente a gabbia di scoiattolo (in cortocircuito - senza spazzole) e costituito da due avvolgimenti statorici sfasati di 90° elettrici.

Figura 1 - Rotore a gabbia.png

2. Cenni sulla caratteristica meccanica

Prima di iniziare desidero soffermarmi brevemente sulla curva di coppia, in modo da consentire anche ai meno avvezzi di interpretare i grafici esposti in seguito nei capitolo successivi.
La caratteristica meccanica di una macchina, che sia motrice o operatrice, è l'andamento della coppia fornita o richiesta in funzione della velocità.

2.1 Caratteristica meccanica di un motore ad induzione

La classica curva di coppia un motore asincrono trifase è la seguente:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

il grafico riporta in ascissa la velocità di rotazione, in $\scriptstyle \frac{giri}{min}$ o $\scriptstyle rpm$ , mentre in ordinata la coppia motrice in $\scriptstyle Nm$ .
$\scriptstyle n_s$ rappresenta la velocità di sincronismo, ovvero quella del campo magnetico rotante, come motore la velocità rotorica raggiunge, anche a vuoto, un valore inferiore a quello di sincronismo, infatti questi motori sono detti asincroni, la differenza relativa tra la velocità di sincronismo e quella effettiva del rotore è lo scorrimento, che è definito come:

$s = \frac {n_s - n} {n_s}$

dove $\scriptstyle n$ indica la velocità effettiva, all'avviamento abbiamo rotore fermo quindi $\scriptstyle s = 1$ , mentre se il rotore ruotasse alla velocità di sincronismo con l'aiuto di una coppia esterna avremmo $\scriptstyle s = 0$ .

La caratteristica meccanica ha un tratto di funzionamento stabile ed abbastanza ripido, dove un rallentamento del rotore causa un aumento della coppia motrice, in modo da ristabilire l'equilibrio con la coppia resistente, questo fino al valore della coppia massima $\scriptstyle C_m$ , detta anche coppia di stallo o di breakdown, se la coppia resistente supera questo valore il rotore rallenterà fino ad arrestarsi.
A rotore fermo avremo disponibile la coppia di avviamento $\scriptstyle C_a$ , mentre $\scriptstyle C_n$ indica la coppia nominale, il punto di lavoro per cui è progettato il motore a cui corrisponde la velocità nominale $\scriptstyle n_n$ .
Il rapporto $\scriptstyle \frac {C_m}{C_n}$ rappresenta la capacità di sovraccarico del motore.
Nel secondo quadrante, ovvero quando il rotore ruota in direzione opposta rispetto al campo magnetico rotante, abbiamo il funzionamento come freno, assorbendo energia dalla rete elettrica per rallentare il sistema.
Nel quarto quadrante, con rotore che supera la velocità di sincronismo, il motore si comporta come generatore, assorbendo energia meccanica ed erogando energia elettrica.

2.2 Caratteristiche di carico

Diamo ora un occhio alle caratteristiche meccaniche dei carichi più comuni:

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dove abbiamo:

a) coppia resistente costante, indipendente dal senso di rotazione, tipica di ascensori, montacarichi, compressori frigoriferi a pistoni, nastri trasportatori, argani
b) coppia resistente che cresce col quadrato della velocità di rotazione, tipica di ventilatori, pompe, compressori centrifughi
c) coppia resistente inversamente proporzionale, in una certa zona, alla velocità di rotazione (potenza costante), tipica di avvolgitori, bobinatrici, mandrini di macchine utensili, piallatrici
d) coppia resistente proporzionale alla velocità di rotazione, tipica di presse meccaniche ed idrauliche, banchi di prova

2.3 Condizione di regime

Quando si collega un motore ad un carico, questi potranno raggiungere una condizione di regime, quando motore ed utilizzatore si muovono alla stessa velocità, che per un certo periodo di funzionamento rimane costante.
La condizione di equilibrio la si può vedere anche sovrapponendo graficamente le due caratteristiche meccaniche:

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Se allo stesso motore dell'esempio precedente applichiamo un carico diverso, avente anche magari la stessa coppia resistente della condizione di regime di figura 4, ma con un andamento ad esempio costante, avremmo una condizione completamente diversa: il motore non riuscirà ad avviarsi in quanto la coppia di spunto risulta insufficiente:

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3. Perché due avvolgimenti?

3.1 Motore con un avvolgimento

Un solo avvolgimento statorico, alimentato da una tensione sinusoidale, genera un campo magnetico di tipo alternativo, non rotante, alcuni lo chiamano pulsante.
Questo campo magnetico può essere considerato (teorema di Leblanc) come la sovrapposizione di due campi aventi ampiezza pari alla metà del valore massimo di quello pulsante, uno diretto e l'altro inverso, rotanti in direzioni opposte alla stessa velocità:

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In queste condizioni la coppia motrice che agisce sul rotore può essere considerata come la risultante $\scriptstyle C_R$ della coppia $\scriptstyle C_D$ , dovuta al campo magnetico rotante diretto, e della coppia $\scriptstyle C_I$ , dovuta al campo magnetico rotante inverso, in figura 7 l'andamento della coppia in funzione della velocità del rotore:

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Con rotore fermo ( $\scriptstyle n=0$ ) le due coppie diretta ed inversa si equivalgono, per cui il motore non risulta in grado di avviarsi spontaneamente, a questo punto se una forza esterna mette in rotazione l'albero in uno dei due versi, viene meno questo equilibrio ed una delle due coppie prevale sull'altra, mantenendo il motore in rotazione nello stesso verso. Rispetto ad un corrispondente motore trifase si nota una minore pendenza del tratto stabile, quindi scorrimenti più elevati ed una capacità di sovraccarico inferiore in quanto è minore la coppia massima.
Per dirlo in altre parole è come se avessimo due motori asincroni trifase identici, uno con fasi invertite rispetto all'altro, collegati meccanicamente allo stesso albero: dopo l'avviamento uno dei due "fa da zavorra" agendo come freno.

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Per quanto appena visto abbiamo una minore efficienza, inoltre il campo magnetico rotante generato dopo l'avviamento non è circolare come quello ottenuto da un motore trifase, ma ellittico, ne consegue un incremento di rumore e vibrazioni, ma l'inconveniente più grave rimane quello di avere una coppia di spunto nulla: per ovviare a questo viene aggiunto un secondo avvolgimento statorico, disposto a 90° elettrici rispetto al primo.

3.2 Motore bifase

In un motore bifase i due avvolgimenti disposti a 90° elettrici tra loro hanno uguali caratteristiche e sono pensati per essere alimentati con due correnti sfasate di un quarto di periodo:

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In questo modo abbiamo un secondo campo magnetico della stessa intensità del primo, le componenti inverse viste al paragrafo precedente si annullano (figura 10 - componenti in blu e verde), mentre quelle dirette si sommano (figura 10 - componenti in rosso e marrone) ottenendo un campo magnetico rotante circolare come quello generato dagli avvolgimenti statorici di un motore asincrono trifase:

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Per invertire il senso di rotazione occorre invertire una sola delle due correnti, scambiando i terminali del relativo avvolgimento.

3.3 Motore monofase

Disporre di un sistema di alimentazione bifase non è semplice, pertanto in un motore monofase i due avvolgimenti possono essere anche molto diversi, uno è l'avvolgimento principale o di marcia, l'altro è quello ausiliario o di avviamento, sempre disposto a 90° elettrici rispetto al primo. Questo secondo avvolgimento può essere realizzato ed alimentato con modalità diverse, dando luogo in pratica a diversi tipi di motori, che vengono anche chiamati a fase divisa (Split Phase).

Lo sfasamento delle correnti dei due avvolgimenti è ottenuto in genere inserendo una resistenza o ancora meglio un condensatore in serie all'avvolgimento ausiliario, quest'ultimo a seconda della tipologia di motore può essere usato solo durante la fase di avviamento oppure conesso permanentemente.

L'ideale sarebbe ottenere uno sfasamento di 90° delle correnti e due campi magnetici di uguale intensità, in modo da produrre un campo magnetico rotante circolare come quello visto per i motori bifase.
Per quanto ci si sforzi questa condizione si realizzerà solo approssimativamente con i motori monofase, non solo per l'impiego di un componente reale come il condensatore, con le sue tolleranze e la sua ESR, ma anche perché l'impedenza di un motore ad induzione non è un parametro costante, ma varia sia in modulo che in fase principalmente al variare dello scorrimento, riporto di seguito la rete equivalente con rotore riportato a statore di una fase di un motore asincrono trifase e quella di un avvolgimento di un motore monofase (resistenza di carico non esplicitata):

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Il campo magnetico rotante si presenterà quindi imperfetto o ellittico e può essere considerato come l'equivalente di due campi rotanti circolari, di cui uno ruota in senso opposto all'altro e le cui ampiezze dipendono dal grado di ellitticità.

4. Tipologie di motori monofase

Vediamo ora le tipologie principali dei motori ad induzione monofase.

4.1 Motori con avvolgimento ausiliario resistivo

[RSIR - Resistence Start-Induction Run - a volte chiamato semplicemente Split-Phase]

In questo tipo di motori l'avvolgimento ausiliario viene realizzato cercando di ridurne la reattanza e di aumentarne la resistenza, ad esempio impiegando un conduttore di sezione inferiore, altrimenti è necessario inserire appositamente una resistenza in serie all'avvolgimento. Tutto questo ha l'obiettivo di sfasare in anticipo il più possibile la $\scriptstyle I_A$ rispetto a $\scriptstyle I_P$ , certo non si otterrà un $\scriptstyle \alpha$ di un quarto di periodo:

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A fine avviamento, quando la velocità raggiunge indicativamente il 75% ( $\scriptstyle n_c$ ) di quella di sincronismo, l'avvolgimento ausiliario viene disinserito mediante un interruttore centrifugo o dispositivo equivalente, non solo perché altrimenti avremo uno scorrimento maggiore sul punto di lavoro, ma anche perché l'avvolgimento ausiliario non è progettato per un funzionamento prolungato.
Il pregio di questi motori è il basso costo ed una discreta coppia di avviamento, in genere 1.5÷2 volte la nominale, i maggiori difetti sono l'alta corrente di avviamento, 6÷8 volte la nominale, un basso fattore di potenza e la presenza di un disgiuntore per l'avviamento.
Usati in passato per una campo di potenza tra i 50 e i 200 W, al giorno d'oggi vengono preferiti i motori con condensatore.

4.2 Motori con condensatore di avviamento

[CSIR - Capacitor Start-Induction Run]

In questo tipo di motori lo sfasamento è ottenuto inserendo in serie all'avvolgimento ausiliario un condensatore, il gruppo condensatore/avvolgimento è studiato e progettato per l'avviamento, in modo da ottenere una coppia di spunto elevata, che va da 2 a 4 volte la nominale.
Per aumentare la coppia di avviamento è necessario aumentare la corrente $\scriptstyle I_A$ dell'avvolgimento ausiliario, in quanto durante questa fase è elevata anche la $\scriptstyle I_P$ , oltre che ottenere uno sfasamento vicino al quarto di periodo.

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Anche in questo tipo di motori l'avvolgimento ausiliario viene disconnesso a fine avviamento, al raggiungimento di una velocità di circa il 75% ( $\scriptstyle n_c$ ) di quella di sincronismo, in quanto il campo magnetico rotante ottenuto nel funzionamento a regime è notevolmente ellittico per l'elevato valore della capacità in serie all'avvolgimento ausiliario, a parità di velocità si ha una coppia molto inferiore (o uno scorrimento maggiore con lo stesso carico), inoltre l'avvolgimento ausiliario viene attraversato da una corrente elevata, non è previsto per un funzionamento continuo.
Visto che si sta parlando di un servizio intermittente, per ridurre i costi spesso si utilizzano condensatori elettrolitici (non polarizzati), anch'essi non adatti ad un funzionamento continuo.

Il pregio di questi motori è l'elevata coppia di avviamento, i difetti sono un basso fattore di potenza a carico, l'elevata corrente di spunto (in genere 4÷5 volte la nominale) e la presenza di un disgiuntore per l'avviamento, sono molto utilizzati nei compressori frigoriferi.

4.3 Motori con condensatore permanentemente inserito

[PSC - Permanent Split Capacitor]

Sono i motori asincroni monofase più diffusi, il condensatore in serie all'avvolgimento ausiliario viene lasciato sempre inserito, aumentando il fattore di potenza ed evitando i costi di un disgiuntore come nei motori visti in precedenza, per questo sono anche i più affidabili. Il gruppo condensatore/avvolgimento è progettato in genere per avere un migliore funzionamento al carico nominale, ottenendo in questa condizione un campo magnetico rotante praticamente circolare, riducendo le vibrazioni e rendendo il motore più silenzioso.

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Per contro la coppia di avviamento è piuttosto piccola, in genere 0.3÷1 $\scriptstyle C_n$ , proprio perché è relativamente piccolo il valore della capacità del condensatore, dimensionato per il funzionamento a regime e non per l'avviamento.
La corrente di spunto è 2÷4 volte la nominale.
In passato si utilizzavano condensatori carta e olio, attualmente si usano quelli in propilene metallizzato.

Una sotto-tipologia di questi motori sono quelli che alcuni chiamano bifase puri o ad avvolgimenti simmetrici, ovvero con due avvolgimenti di uguali caratteristiche (sempre disposti a 90° elettrici tra loro), in pratica non si distingue più l'avvolgimento primario dall'ausiliario ed il condensatore viene connesso in serie all'uno o all'altro avvolgimento a seconda del senso di rotazione che si vuole ottenere.
In questi motori il fattore di potenza al carico nominale risulta quasi unitario, le correnti $\scriptstyle I_P$ ed $\scriptstyle I_A$ in quadratura e quasi uguali in modulo, in modo da avere su entrambi gli avvolgimenti il valore della tensione di rete:

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Quest'ultimo tipo di motore, connesso alla rete monofase, in prossimità del carico nominale praticamente funziona come se fosse alimentato da un sistema bifase.

4.4 Motori con doppio condensatore

[CSR - Capacitor Start & Run]

Se durante la fase di avviamento ai motori PSC aggiungiamo in parallelo al condensatore permanentemente inserito $\scriptstyle C_M$ , un secondo condensatore $\scriptstyle C_A$ in modo da incrementare la capacità in serie all'avvolgimento ausiliario, otteniamo prestazioni soddisfacenti sia alla partenza che a carico, abbiamo in sostanza unito quanto visto per le tipologie CSIR e PSC.
I valori delle due capacità $\scriptstyle C_A$ e $\scriptstyle C_M$ risultano da un compromesso dovendo riguardare un avvolgimento che si presenta unico, secondo alcune scuole di pensiero si ottengono risultati migliori progettando prima avvolgimento ausiliario e condensatore di avviamento per ottenere le migliori prestazioni alla partenza ed ottimizzando di seguito il condensatore di marcia, secondo altri meglio procedere al contrario.

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Alcuni costruttori hanno in catalogo motori a condensatore permanentemente inserito ed i corrispondenti a doppio condensatore per incrementare la coppia di avviamento, ecco un esempio, anche per avere un'idea della relazione tra le capacità $\scriptstyle C_A$ e $\scriptstyle C_M$ :

Figura 18 - Esempio motori PSC

Figura 19 - Esempio motori CSR

Inutile dire che sono la tipologia di motori più costosa, oltre al secondo condensatore è necessario anche un disgiuntore, ma combinano una elevata coppia di avviamento, una elevata coppia massima, mantenendo al contempo un funzionamento fluido ed efficiente a regime.

5. Connessioni & inversione di marcia

Abbiamo visto che per modificare il senso di marcia è necessario invertire i terminali di uno solo dei due avvolgimenti, se li invertiamo entrambi non otteniamo variazioni (infatti non cambia nulla a seconda di come inseriamo in una presa, la spina di un elettrodomestico avente un motore di questo tipo).
Ne consegue che devono essere accessibili i 4 conduttori, se i collegamenti sono effettuati internamente e ne sono accessibili solo due non è possibile cambiare il senso di rotazione, nel caso siano disponibili 3 conduttori (uno è il comune dei due avvolgimenti) è possibile cambiare il senso di rotazione solo se si tratta di un motore ad avvolgimenti simmetrici, in quanto basta collegare il condensatore in serie ad uno o all'altro dei due.

Per le connessioni è sempre necessario riferirsi alla documentazione del costruttore del motore, tuttavia vi sono delle configurazioni che potremmo definire standard per le morsettiere a 4 o 6 terminali, le sigle sui terminali possono anche cambiare:

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Se fosse necessario distinguere l'avvolgimento principale da quello ausiliario, basta ricordarsi che in genere quest'ultimo è realizzato con conduttori di sezione inferiore, pertanto presenta una resistenza maggiore rispetto a quello principale.

Riporto per completezza uno schema per inversione di marcia di un motore con condensatore permanentemente inserito, realizzato utilizzando due teleruttori tetrapolari, alternativamente è possibile utilizzare tre teleruttori bipolari:

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In figura 24 è invece riportato un classico comando di un motore per tapparella (ad avvolgimenti simmetrici), in questo caso non sono necessari invertitori ma è sufficiente l'utilizzo di un selettore ritorno al centro o di un doppio pulsante interbloccato.

6. Disgiuntori per l'avviamento

Il disgiuntore è il dispositivo che sconnette l'avvolgimento ausiliario (RSIR & CSIR) o solo il condensatore di avviamento (CSR) al raggiungimento del 70÷80% della velocità di sincronismo, ad avviamento considerato concluso. Vediamo di seguito le tipologie più diffuse.

6.1 Interruttore centrifugo

Il disgiuntore classico è l'interruttore ad azione centrifuga, costituito in genere da dei pesi guidati e da una molla, all'aumentare della velocità i pesi si allontanano dall'asse di rotazione andando a commutare un contatto elettrico.
I suoi parametri principali sono il diametro dell'albero per il montaggio e la velocità a cui avviene la commutazione in $\scriptstyle \frac{giri}{min}$ .
L'interruttore centrifugo viene previsto dal costruttore e montato sul rotore, è soggetto a vibrazioni, usura dei contatti, richiede spazio aggiuntivo per l'alloggiamento nel motore, può inoltre ostacolarne il raffreddamento (il flusso d'aria assiale). Per la sua sostituzione è necessario smontare ed aprire il motore.

Figura 25 - Interruttore centrifugo

A livello elettrico abbiamo semplicemente un contatto normalmente chiuso in serie al condensatore/avvolgimento di avviamento:

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6.2 Relè amperometrico

La bobina del relè amperometrico è inserita in serie all'avvolgimento principale, il contatto relativo si chiude all'alimentazione del motore per effetto della corrente di spunto, per poi aprirsi quando la corrente diminuisce e scende sotto una determinata soglia, ad avviamento concluso. Sono utilizzati nei motori dei compressori ermetici per refrigerazione.

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Uno dei problemi di questo dispositivo è che si parte con un contatto normalmente aperto, per cui avremo una maggiore usura dovuta alla prima commutazione, inoltre non viene utilizzato nei motori a doppio condensatore: essendo un dispositivo elettromeccanico con un certo ritardo di commutazione, quando il contatto si chiude si trova in parallelo il condensatore di marcia già alimentato.

Figura 28 - Relè amperometrico.png

6.3 Relè voltmetrico

Il relè voltmetrico viene utilizzato in genere nei motori a doppio condensatore dei compressori frigoriferi, viene connesso in modo da misurare la tensione dell'avvolgimento ausiliario: in fase di avvio, aumentando la velocità del rotore, aumenta pure la tensione ai capi di questo avvolgimento, superata una certa soglia il condensatore di avviamento viene disinserito.

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Visto che l'avvolgimento ausiliario rimane sempre alimentato, il relè mantiene disinserito il condensatore di avviamento fino all'arresto del motore.

6.4 Temporizzatore

Questa è la soluzione più banale, un timer all'eccitazione che apre il circuito quando è trascorso il ritardo di avviamento.

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Il limite di questo sistema è che non si adatta al carico: il tempo di inserzione del circuito di avviamento, una volta regolato, è fisso.

6.5 Disgiuntore elettronico

La ricerca per realizzare dei disgiuntori efficaci, flessibili, sensibili al carico, ma nel contempo semplici da collegare, di basso costo ed ingombro contenuto, ha portato a tutta una serie di brevetti anche interessanti, ho inserito un paio di link ([7] e [8]) nei riferimenti a fine articolo.

I disgiuntori elettronici si possono trovare in genere in due configurazioni, fino ad una certa capacità integrati direttamente nell'involucro del condensatore, facilitando pertanto il cablaggio e riducendo gli ingombri, oppure stand-alone, ma comunque di dimensioni molto compatte, a seconda del tipo possono avere più di due terminali per il collegamento.
L'attuatore per la sconnessione può essere di tipo elettromeccanico (relè) oppure a stato solido (triac), questi ultimi sono consigliati per le applicazioni più gravose.

La tipologia più elementare è rappresentata dal disgiuntore temporizzato, il ritardo è in "taglie fisse" e di solito lo si trova a 1 - 1.5 - 2 secondi, non è possibile una regolazione.

Altre tipologie, più raffinate, si basano sul principio del disgiuntore voltmetrico, viene quindi misurata le tensione ai capi dell'avvolgimento ausiliario ed al superamento di una soglia (cut-off) si effettua la commutazione, di solito è implementata anche una soglia di reinserimento (cut-in) se il rotore scende al di sotto di una certa velocità ( $\scriptstyle s < 0.5$ ) ed un conteggio dei tentativi con un numero massimo consentito. Sono dispositivi insensibili alle fluttuazioni della tensione di rete in quanto viene misurata anche la tensione sull'avvolgimento principale e variate le soglie di conseguenza.
In aggiunta a questo viene previsto un tempo minimo di inserzione di qualche decimo di secondo ed ovviamente un timeout.

Figura 31 - Disgiuntori elettronici

7. Sostituzione del condensatore

☞Attenzione: raccomando di non tentare riparazioni se si è inesperti e non attrezzati, stiamo parlando di macchine elettriche funzionanti alla tensione di rete, una disattenzione o una imprudenza possono costare care.

7.1 Verifica del condensatore

La maggior parte dei guasti dei motori monofase ad induzione riguarda il condensatore o, se presente, il disgiuntore di avviamento, alcuni motori integrano anche una protezione termica che potrebbe avere qualche problema o richiedere un ripristino manuale.

Se si nota una fase di avviamento difficoltosa e prolungata oppure il motore non riesce ad avviarsi ed emette un ronzio, ma si avvia dando "una spinta" ovvero forzando la rotazione dell'albero (attenzione anche ad eseguire questa operazione, se si prova a mettere in rotazione la ventola non usare le dita o oggetti metallici) il primo indiziato è il condensatore, se poi da un controllo visivo si notano delle rigonfiature, crepe, segni di bruciatura o perdite di olio o altre sostanze allora è sicuramente da sostituire.

Figura 32 - Guasti ben visibili

La prima cosa da fare è staccare il motore dalla rete elettrica, poi scaricare l'eventuale tensione residua ai capi del condensatore, nel caso del condensatore di marcia non dovrebbe servire in quanto all'arresto si scarica direttamente sugli avvolgimenti del motore, ma meglio essere prudenti. Per scaricarlo si potrebbe usare una vecchia lampadina ad incandescenza collegandola ai due terminali o un grosso resistore o ancora, se lo si ha a disposizione, un multimetro con modalità LoZ (misura di tensione con impedenza più bassa); in mancanza d'altro, come ultima scelta, si può usare un cacciavite con impugnatura isolata per provocare un cortocircuito sui terminali mantenendolo per qualche secondo, ma attenzione, questa operazione non sarà gradita dal condensatore.

Figura 33 - Scarica brutale del condensatore

Sui motori CSR potrebbe essere utilizzato anche un doppio condensatore, in questo caso avremo 3 terminali di cui uno è il comune:

Figura 34 - Doppio condensatore.jpg

Ora, se disponiamo di un multimetro con misura della capacità possiamo effettuare la verifica del condensatore, che corrisponda al dato nominale e non sia guasto o troppo degradato. In alternativa un test grossolano lo si può fare con la misura di resistenza: a condensatore scarico si dovrebbe vedere un valore che aumenta fino ad infinito, se si misura una resistenza nulla o molto bassa il condensatore è in corto, se invece si rileva un valore infinito costante il condensatore è interrotto.

7.2 Sostituzione con dati nominali

Sarò pedante, ma vediamo brevemente i dati nominali in genere stampati sull'involucro del condensatore.

Figura 35 - Dati nominali del condensatore

Il primo dato da cercare è la capacità, indicata in $\scriptstyle \mu F$ (microfarad), con vicino l'indicazione della tolleranza in percentuale, nell'esempio sopra la capacità del nostro condensatore può essere compresa da 11,4 a 12,6 $\scriptstyle \mu F$ .

Vediamo poi la tensione massima, espressa in $\scriptstyle V$ (volt), di dati in questo caso ne vengono indicati due, in quanto riferiti alla classe di funzionamento:

con tensione di 425 V il condensatore lavora in classe B, la sua durata stimata è 10000 ore
con tensione di 475 V il condensatore lavora in classe C, la sua durata stimata è 3000 ore

Le classi di funzionamento dei condensatori per motore monofase sono le seguenti:

Classe	Vita prevista	Massima percentuale di guasto
Classe A	30000 h	3 %
Classe B	10000 h	3 %
Classe C	3000 h	3 %
Classe D	1000 h	3 %

Può sembrare strano che per motori connessi alla tensione di rete (230 V) si utilizzino solitamente condensatori con tensione massima anche superiore a 400 V, la motivazione che in genere si legge in rete è che si deve fare riferimento al valore di picco della sinusoide (circa 325 V), ma non è così: sull'involucro è indicato il valore efficace (RMS), visto che sono condensatori specifici per l'uso in corrente alternata, infatti nell'esempio sopra vediamo il simbolo ~ oppure viene specificato "AC".
Il motivo è invece che la tensione di rete viene applicata direttamente solo sull'avvolgimento principale, sull'avvolgimento ausiliario e sul condensatore abbiamo due tensioni tra loro sfasate di parecchio, la cui somma vettoriale ha come risultante la tensione di rete, lo si può vedere nei diagrammi di esempio delle figure 15-b e 16-b.

Per quanto riguarda la sostituzione: il condensatore, come abbiamo visto nei capitolo precedenti, dipende dai parametri costruttivi del motore, pertanto va sostituito con uno aventi le stesse caratteristiche di quello originale, quindi con un valore di capacità molto prossimo ed un valore di tensione massima uguale o superiore, attenzione inoltre che i condensatori elettrolitici sono indicati solo per l'avviamento e non come condensatori di marcia.

Dal catalogo di esempio di figura 19 si nota inoltre che, per quanto riguarda il condensatore di avviamento, la tolleranza è un po' più ampia, visto che rimane inserito per breve tempo, inoltre, se si è guastato questo condensatore ed è di tipo elettrolitico, allora è sicuramente da verificare anche il funzionamento del disgiuntore, ovvero che disconnetta correttamente il condensatore a partenza avvenuta.

7.3 Sostituzione senza dati nominali

In rete si trovano formule, tabelle e diagrammi per il calcolo della capacità a seconda della potenza del motore, ma questi valori sono indicativi (a volte anche discordanti tra loro), pertanto vanno usati solo nel caso non si abbia alternativa, ad esempio perché i dati sul condensatore originale non sono più leggibili e non si riescono a reperire dal costruttore oppure si tratta di un vecchio motore ed il condensatore è andato perduto.

Per la determinazione della capacità di un condensatore di marcia, il riferimento indicativo è circa 30÷50 $\scriptstyle \mu F$ per $\scriptstyle kW$ di potenza del motore, dati tipici si possono trovare nella seguente tabella:

Figura 36 - Valori tipici per il condensatore di marcia

o ancora, alcuni consigliano questa formula empirica:

$C = \frac {P}{\eta \; U^2 \; k \; f} \ 10^5$

dove:

C

: capacità del condensatore di marcia in $\scriptstyle \mu F$

P

: potenza di targa (resa) del motore in $\scriptstyle W$

η

: rendimento nominale del motore

U

: tensione di alimentazione in $\scriptstyle V$

k

: rapporto spire tra l'avvolgimento ausiliario e quello principale (generalmente 0.7÷1)

f

: frequenza di rete in $\scriptstyle Hz$

Proviamo ad utilizzarla per il motore da 370 W 2 poli riportato nel catalogo di figura 19:

$C = \frac {370}{230^2 \; 50 \; 0,67} \ 10^5 = 20,8 \; \mu F$

rispetto al valore previsto dal costruttore (15 $\scriptstyle \mu F$ ) abbiamo quasi un 40% in più.

Il condensatore è un elemento in serie all'avvolgimento ausiliario, ne consegue che una variazione della sua capacità va a modificare sia il modulo che la fase della corrente che percorre l'avvolgimento ausiliario, variazioni oltre un certo range dai dati di progetto potrebbero compromettere l'avviamento e, nel caso di motori con condensatore inserito permanentemente, vanno ad influire anche sulla coppia motrice a regime.

Se si adotta una capacità di marcia troppo alta, avremo potenzialmente un maggior assorbimento e riscaldamento e anche scorrimenti più elevati, se troppo bassa una diminuzione della coppia massima, aumento di rumore e vibrazioni e, se il motore è di tipo PSC, difficoltà di avviamento.

Per quanto riguarda la tensione del condensatore, non disponendo dei dati originali previsti dal costruttore, meglio rimanere sui 400-450 V.

Per il condensatore di avviamento i valori tipici sono riportati nella tabella seguente (attenzione che nel caso di motori CSR la capacità che abbiamo durante l'avviamento è la somma di quella dei due condensatori, visto che sono in parallelo):

Figura 37 - Valori tipici per il condensatore di avviamento

7.4 Calcolo della capacità per motori PSC "bifase puri"

Per quanto riguarda i motori PSC con avvolgimenti simmetrici, progettati per avere un fattore di potenza praticamente unitario al carico nominale (figura 16), il calcolo della capacità partendo dalla potenza del motore è preciso, la tensione sul condensatore risulta:

$U_C = U \; \sqrt {2}$

mentre la corrente nell'avvolgimento ausiliario ( $\scriptstyle \cos \varphi = 1$ ):

$I_A = I_P = \frac {I}{\sqrt {2}} = \frac {P}{\eta \; U \; \sqrt {2}}$

da cui:

$C = \frac {P}{\eta \; U^2 \; 2 \; \omega}$

per scriverla in maniera analoga a quella del paragrafo precedente:

$C = \frac {P}{\eta \; U^2 \; 4 \; \pi \; f} \ 10^6$

dove:

C

: capacità del condensatore di marcia in $\scriptstyle \mu F$

P

: potenza di targa (resa) del motore in $\scriptstyle W$

η

: rendimento nominale del motore

U

: tensione di alimentazione in $\scriptstyle V$

f

: frequenza di rete in $\scriptstyle Hz$

8. Variazione della velocità

Arriviamo al punto dolente.
Per quanto riguarda la variazione della velocità, considereremo solo i motori PSC, visto che le altre tipologie hanno il disgiuntore sensibile alla velocità rotorica.

8.1 Diminuzione della tensione di alimentazione

Un sistema molto blando, utilizzato in genere nei ventilatori, quando non si hanno esigenze di regolare finemente la velocità e si accettano forti diminuzioni di performance del motore, è quello di sotto-alimentarlo, calando la tensione di alimentazione si ottiene un de-flussaggio che va a modificare la caratteristica meccanica del motore, abbassando la coppia massima e rendendo meno pendente il tratto stabile, quindi in pratica si aumenta lo scorrimento (= diminuzione di velocità) alla condizione di regime:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

8.2 Variazione della frequenza di alimentazione

Il metodo più corretto per variare in modo continuo la velocità è quello di variare la frequenza di alimentazione, visto che la velocità di sincronismo del campo magnetico rotante vale:

$n_s = \frac {60 \; f}{p}$

dove $\scriptstyle p$ rapresenta il numero di coppie polari ed $\scriptstyle f$ la frequenza.

Facile direte, basta utilizzare un inverter o azionamento a frequenza variabile (VFD). Il problema è che in commercio si trovano tranquillamente inverter con ingresso monofase o trifase, ma l'uscita è trifase per pilotare appunto un motore asincrono trifase (quindi un carico equilibrato con fasi sfasate di 120°), gli inverter con uscita monofase sono dispositivi speciali, di nicchia, ci possono essere costruttori che forniscono azionamento e motori integrati (pompe) in una configurazione compatta, ma non sono soluzioni general-purpose.
In rete si legge anche che qualche appassionato ed esperto è riuscito ad utilizzare degli inverter standard su dei motori monofase, sopprimendo l'errore di mancanza di fase e probabilmente con svariate altre accortezze, ottenendo risultati accettabili per la sua applicazione.

Vi sono poi svariati azionamenti di provenienza cinese, che si dichiarano adatti al pilotaggio di motori monofase, la documentazione è sempre carente e non è chiaro come operino, addirittura in alcuni casi consentono 2 modalità:

collegamento di solo due terminali al motore, lasciando inserito il condensatore (?)
collegamento di 3 terminali al motore, comune ed un terminale per ogni avvolgimento

in entrambi i casi per l'inversione del senso di rotazione è necessario variare i collegamenti sul motore. Riporto gli schemi di connessione di un paio di apparecchi:

Figura 39 - Collegamento inverter AT2

Figura 40 - Collegamento inverter GK3000

Se avessimo a disposizione un inverter con uscita monofase, atto a pilotare i due avvolgimenti con sfasamento di 90° togliendo il condensatore, funzionerebbe bene con un motore ad avvolgimenti simmetrici (quindi un bifase puro), ma sul resto dei motori PSC, con avvolgimento ausiliario in genere avvolto per tensioni superiori a quella di rete (anche 340-350 V - la soglia standard dei disgiuntori voltmetrici è 300-310 V) otterremo sempre un campo magnetico rotante ellittico, diminuzione della coppia massima ed aumento dello scorrimento, in definitiva, se si ha questa necessità, meglio orientarsi su un motore trifase pilotato da un inverter standard con ingresso monofase.

9. Conclusione

Siamo arrivati al termine di questo sommario viaggio sul motore asincrono monofase, spero che le informazioni raccolte siano utili, io personalmente ho scoperto un mondo che non conoscevo dietro ai disgiuntori di avviamento.
Naturalmente se trovate errori segnalate pure, sono anche disponibile alla collaborazione se qualcuno volesse integrare l'articolo in qualche sua parte.

10. Riferimenti

[1] Mario Pezzi, Macchine Elettriche, 2nd ed. 1991
[2] B.L. Theraja, A Textbook of Electrical Technology - Volume II: AC and DC Machines, 2005
[3] Stefano Napoletano, Sistemi di avviamento RSIR CSIR PSC CSR, 2013
[4] Admin, Gradi elettrici e geometrici?, ElectroYou, 2002
[5] Admin, Circuito equivalente del motore asincrono, ElectroYou, 2003
[6] D.Lin P.Zhou N.Lambert, Starting winding optimization in single-phase induction motor design, 2010
[7] Richard Shemanskex, Young-Kee Min, Load and speed sensitive motor starting circuit, Patent US4622506
[8] Young-Kee Min, Load and speed sensitive motor starting circuit and method, Patent US20060175999
[9] Practical Machinist Forum - esperienza con VFD cinesi, PSC motor with single phase output VFD

ElectroYou - la comunità dei professionisti del mondo elettrico

Il motore asincrono monofase a condensatore

Indice

1. Premessa

2. Cenni sulla caratteristica meccanica

2.1 Caratteristica meccanica di un motore ad induzione

2.2 Caratteristiche di carico

2.3 Condizione di regime

3. Perché due avvolgimenti?

3.1 Motore con un avvolgimento

3.2 Motore bifase

3.3 Motore monofase

4. Tipologie di motori monofase

4.1 Motori con avvolgimento ausiliario resistivo

4.2 Motori con condensatore di avviamento

4.3 Motori con condensatore permanentemente inserito

4.4 Motori con doppio condensatore

5. Connessioni & inversione di marcia

6. Disgiuntori per l'avviamento

6.1 Interruttore centrifugo

6.2 Relè amperometrico

6.3 Relè voltmetrico

6.4 Temporizzatore

6.5 Disgiuntore elettronico

7. Sostituzione del condensatore

7.1 Verifica del condensatore

7.2 Sostituzione con dati nominali

7.3 Sostituzione senza dati nominali

7.4 Calcolo della capacità per motori PSC "bifase puri"

8. Variazione della velocità

8.1 Diminuzione della tensione di alimentazione

8.2 Variazione della frequenza di alimentazione

9. Conclusione

10. Riferimenti

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