Premessa

“Ho un motore trifase. E' possibile farlo funzionare con tensione monofase?” Credo non ci sia quesito più ricorrente nei vari forum di elettrotecnica. Qualcuno, insospettendosi giustamente che le prestazioni possano non essere le stesse, aggiunge: “Coppia e potenza rimangono le stesse?”.

Lo scopo di questo focus è di illustrare i concetti che stanno alla base del funzionamento di un trifase con alimentazione monofase, fornendo le indicazioni su come procedere in pratica per questo tipo di funzionamento, quando desiderato. Perché può anche capitare che un motore trifase, in seguito all’interruzione di una fase, continui la sua marcia in monofase.

Motore ad induzione monofase

Nei testi di macchine elettriche, la teoria del motore ad induzione è sviluppata per la macchina trifase. La monofase è trattata alla fine, come un'appendice. Il motivo è semplice. Il motore ad induzione funziona sul principio del campo magnetico rotante che, con avvolgimenti ed alimentazione trifase, è immediatamente attivo. Il campo rotante ha un valore massimo che si mantiene costante nel tempo come valore, ma che si verifica, nei 360 ° del traferro, in posizioni che variano nel tempo. L'asse magnetico, cioè il luogo dei punti del valore massimo dell'induzione, ruota alla velocità di sincronismo, determinata dalla frequenza (f) dell'alimentazione e dal numero di assi magnetici o poli, secondo la nota formula n₀=60*f/p (p: coppie polari). E' in pratica un magnete multipolare che ruota trascinando in rotazione il rotore, magnete a sua volta per induzione elettromagnetica.

Un avvolgimento monofase, invece, produce un campo magnetico alternativo, non rotante. Cioè la sua intensità varia nel tempo, ma la direzione di ogni asse magnetico, non si modifica. Però un campo alternativo si può scomporre, matematicamente, in due campi identici ruotanti in senso opposto alla stessa velocità: un campo diretto (assumiamo che sia quello in senso orario) ed un campo inverso, le cui intensità sono esattamente la metà di quella del campo alternativo. La strana potenza della matematica è che le sue astratte trasformazioni teoriche sono praticamente sempre applicabili alla realtà. Quando il rotore è fermo, non c'è alcuna asimmetria nelle correnti in esso indotte dai due campi controrotanti. La coppia motrice prodotta dall'uno è dunque esattamente controbilanciata dalla coppia motrice dell'altro ed il rotore sta fermo. Se però, con un qualche artificio, lo si pone in rotazione in uno dei due sensi, la dissimmetria nelle correnti indotte produce uno squilibrio delle coppie. Prevale allora quella del campo che ruota nello stesso senso, ed il rotore lo segue. Il campo inverso però non scompare, ed esercita un'azione frenante che si affievolisce man mano che il rotore si avvicina alla velocità del campo concorde.

Una volta partito il motore monofase funziona come il trifase. Si intuisce però che non potranno essere mantenute le caratteristiche di coppia e di potenza del motore trifase. Per ottenere le massime prestazione possibili occorrerà, a seconda del motore, scegliere il collegamento più opportuno per avere ai capi di ogni avvolgimento la tensione il più possibile prossima alla sua tensione nominale, che è quella corrispondente al collegamento a triangolo.

La figura mostra le possibili inserzioni, viste in morsettiera, di un motore trifase ad una linea monofase. Il condensatore è indispensabile per creare la coppia di spunto, è cioè il dispositivo necessario per dare la spinta iniziale e creare l’asimmetria. Se collegato tra u e w il motore gira in un senso, mentre se è tra u e v gira in senso opposto. La sua capacità, in microfarad, va scelta in base alla potenza ed alla desiderata coppia di avviamento mediante opportuni diagrammi

Una formula di prima approssimazione è C=60*P dove P è la potenza del motore in kW. La sua tensione nominale è bene che sia superiore ai 250 V

Forse non è superfluo osservare che nel caso si abbia un motore 690/400 quanto detto vale per una alimentazione monofase di 400 V. In tal caso il condensatore, di tensione nominale pari a 500 V avrà una capacità che si può scegliere con la formula C=15*P.

Nei motori che devono avviarsi sotto carico, spesso si utilizzano due condensatori, uno per l’avviamento ed uno, di capacità inferiore, da mantenere collegato a regime. La commutazione automatica, una volta realizzata con interruttori centrifughi, è in genere attuata da temporizzatori elettronici incorporati in un’unica custodia con i due condensatori. Da osservare che quando un condensatore è permanentemente inserito il motore è in pratica un motore bifase.

Schemi di collegamento per un motore trifase alimentato con tensione monofase

Variazione delle caratteristiche

Per e caratteristiche di un motore trifase alimentato con tensione monofase, grosso modo valgono le seguenti considerazioni (teoricamente ricavate per il primo schema di collegamento della figura).

• La coppia massima che si può ottenere è circa il 45% della coppia massima del motore trifase.
• La zona di funzionamento stabile, che si ha per scorrimenti inferiori a quello cui si ha la coppia massima, non è molto diversa da quella del motore trifase. Il motore monofase potrebbe ancora essere in grado di erogare la coppia nominale con uno scorrimento che però potrebbe essere eccessivo, con conseguente sovrariscaldamento.
• La corrente a vuoto (scorrimento nullo) è il 73% maggiore della corrente a vuoto trifase.
• La corrente di cortocircuito(rotore fermo, scorrimento=1) è la metà della corrispondente corrente trifase.

Marcia monofase

Se si interrompe una fase durante il funzionamento di un motore trifase, l'alimentazione diventa monofase ed il motore continua a girare. Però la coppia massima si riduce e se la coppia resistente del carico rimane costante, il motore rallenta e lo scorrimento può aumentare eccessivamente determinando una sovracorrente. La corrente nominale del motore è sempre la stessa per cui, a parità di tensione, la potenza che il motore può assorbire in monofase è il 58% di quella trifase.

Un ulteriore inconveniente è che nel caso in cui il collegamento del motore sia a triangolo, nell'avvolgimento sottoposto alla concatenata si ha una corrente maggiore del 15% della corrente che si ha nello stesso avvolgimento quando l'alimentazione è trifase e la corrente di linea è la stessa del monofase. Poiché la protezione è tarata sulla In di linea, quando questa si verifica con alimentazione monofase, l'avvolgimento in questione risulta sovraccaricato del 15%

Inversione di marcia

Per creare la coppia di spunto si ricorre ad un avvolgimento ausiliario (di poche spire), collegato elettricamente in parallelo al principale (detto anche avvolgimento di marcia). All'avvolgimento ausiliario si pone in serie un condensatore per sfasare la corrente. L'avvolgimento ausiliario ad avviamento avvenuto può essere disinserito. L'inversione di marcia si ottiene invertendo il collegamento alla rete monofase del solo avvolgimento ausiliario.

Alimentazione dissimmetrica

Quando le tre tensioni di alimentazione non sono tutte uguali ed ugualmente sfasate, si sviluppano due campi rotanti in senso contrario. Essi danno luogo a due coppie: quella motrice dovuta al campo rotante che ruota nello stesso senso del rotore ed una coppia frenante dovuta al campo inverso. La coppia risultante risulta perciò inferiore a quella che il motore svilupperebbe in assenza di dissimmetria, tanto più quanto maggiore è il grado di dissimmetria espresso dal rapporto tra la componente inversa e la componente diretta della tensione che danno luogo, rispettivamente, alla coppia frenante ed alla coppia motrice.

Ad esempio per un grado di squilibrio del 50% la coppia massima risultante è il 65% della coppia massima con alimentazione simmetrica, per cui a parità di coppia resistente del carico il motore aumenta lo scorrimento con conseguente riscaldamento eccessivo