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Nei siti di produzione industriale, l'indicatore dell'amperometro dei motori a corrente alternata (in particolare dei motori asincroni) spesso devia bruscamente all'avvio, mostrando una "corrente di spunto" di gran lunga superiore alla corrente nominale. La corrente di avviamento di alcuni motori di piccole e medie dimensioni può raggiungere 5-7 volte il valore nominale, e quella dei motori ad alta tensione di grandi dimensioni è ancora più elevata. Questo fenomeno non solo crea problemi al personale addetto al funzionamento e alla manutenzione delle apparecchiature, ma nasconde anche potenziali rischi per la sicurezza. Per rispondere a questa domanda, dobbiamo partire dal principio di funzionamento dei motori a corrente alternata e analizzare i danni e le contromisure in combinazione con le condizioni di lavoro reali.
1. Cause principali di una corrente di avviamento eccessiva
Le caratteristiche di avviamento dei motori asincroni in corrente alternata sono strettamente correlate al "campo magnetico rotante" e al "rapporto di scorrimento". Quando il motore è fermo, la velocità del rotore è 0 e il rapporto di scorrimento s = 1 (rapporto di scorrimento s = (velocità sincrona - velocità del rotore) / velocità sincrona). In questo momento, la velocità alla quale il conduttore del rotore interrompe il campo magnetico rotante raggiunge il valore massimo, e anche la forza elettromotrice indotta dal rotore e la corrente indotta raggiungono di conseguenza il massimo. Secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, il campo magnetico generato dalla corrente del rotore interagisce con il campo magnetico dello statore. Per mantenere l'equilibrio del campo magnetico, lo statore aumenta automaticamente la corrente per compensare l'influenza del campo magnetico del rotore, portando infine a un brusco aumento della corrente di avviamento dello statore.
Dal punto di vista del circuito, l'impedenza equivalente estremamente bassa del motore all'avvio è un altro fattore chiave. In condizioni statiche, l'avvolgimento statorico del motore può essere considerato un circuito in serie di "resistenza + reattanza di dispersione". In questo momento, la reattanza induttiva dell'avvolgimento è al valore minimo perché il rotore non ruota e la resistenza stessa è piccola. Secondo la legge di Ohm I = U/Z, alla tensione nominale, la diminuzione dell'impedenza Z porta direttamente a un aumento significativo della corrente I. Inoltre, le barre del rotore dei motori asincroni a gabbia sono realizzate in alluminio pressofuso o in barre di rame e la resistenza del circuito del rotore è bassa all'avvio, il che aggrava ulteriormente l'effetto di amplificazione della corrente.
2. Principali danni dell'elevata corrente di avviamento
Una corrente di avviamento eccessiva avrà un impatto negativo sulla rete elettrica, sul motore stesso e sulle apparecchiature correlate. Per la rete elettrica, l'elevata sovratensione di breve durata causerà un calo istantaneo della tensione di rete, che potrebbe causare un funzionamento anomalo di altre apparecchiature nella stessa rete elettrica (come strumenti di precisione, sistemi di controllo PLC) e persino innescare scatti e interruzioni di corrente. Per il motore, la corrente eccessiva sottoporrà l'avvolgimento dello statore a un'enorme forza elettrica. Avviamenti frequenti e prolungati possono causare l'invecchiamento e il danneggiamento dello strato isolante dell'avvolgimento, causando cortocircuiti tra spire. Allo stesso tempo, il calore Joule generato dalla corrente causerà un brusco aumento della temperatura dell'avvolgimento, riducendo la vita utile del motore.
Nella produzione industriale, la sovratensione all'avviamento può anche influire sulla stabilità del sistema meccanico. La fluttuazione della coppia di avviamento corrispondente all'elevata corrente farà sì che il componente di collegamento tra il motore e il carico (come ventilatori, pompe idrauliche, nastri trasportatori) sopporti un carico d'impatto, causando guasti meccanici come giunti allentati e usura degli ingranaggi, e aumentando i costi di manutenzione delle apparecchiature. In ambienti infiammabili ed esplosivi (come l'industria chimica e le miniere di carbone), la corrente di avviamento può causare scintille elettriche, rappresentando un rischio per la sicurezza.
3. Strategie di soppressione efficaci negli scenari industriali
A seconda dei diversi livelli di potenza e delle condizioni di lavoro richieste, i metodi di soppressione comunemente utilizzati nell'industria possono essere suddivisi in due categorie: "avviamento a gradini" e "avviamento graduale". Per i motori asincroni di piccole e medie dimensioni (solitamente inferiori a 55 kW), l'avviamento a gradini è una scelta economica e pratica. L'idea di base è quella di ridurre la tensione dello statore all'avvio per ridurre la corrente di avviamento. I metodi più comuni includono l'avviamento stella-triangolo (Y-Δ), l'avviamento a gradini con autotrasformatore e l'avviamento a gradini con reattore. Tra questi, l'avviamento stella-triangolo è il più utilizzato. Durante l'avviamento, l'avvolgimento dello statore è collegato a stella, in modo che la tensione di ciascun avvolgimento di fase scenda a 1/√3 del valore nominale e la corrente di avviamento venga quindi ridotta a 1/3 di quella dell'avviamento diretto. Dopo l'aumento di velocità del motore, viene commutato al collegamento a triangolo per ripristinare il funzionamento alla tensione nominale.
Per motori di grandi dimensioni (oltre 100 kW) o scenari con elevati requisiti di fluidità di avviamento (come ascensori, macchine utensili di precisione), i soft starter e i convertitori di frequenza rappresentano soluzioni migliori. Il soft starter utilizza il controllo di fase dei raddrizzatori controllati al silicio (SCR) per far salire gradualmente la tensione dello statore da bassa ad alta. La corrente di avviamento può essere controllata a 2-3 volte il valore nominale, evitando improvvisi aumenti e cali di tensione. Allo stesso tempo, è dotato di funzioni di protezione da sovracorrente e sovraccarico ed è adatto a diverse caratteristiche di carico. Il convertitore di frequenza controlla l'avviamento del motore modificando la frequenza di alimentazione. Durante l'avviamento, la frequenza aumenta gradualmente da 0 e la velocità aumenta gradualmente in modo sincrono. La corrente di avviamento può essere limitata entro il valore nominale e può anche realizzare la funzione di regolazione della velocità, che consente di fare due cose con una in scenari che richiedono un funzionamento a velocità variabile (come la regolazione della velocità tramite conversione di frequenza dei ventilatori e il risparmio energetico).
Inoltre, per carichi specifici, è possibile adottare misure ausiliarie come l'"avviamento graduale" o l'"avviamento con scarico del carico". Ad esempio, per apparecchiature con carichi pesanti come i nastri trasportatori, il carico viene interrotto da una frizione prima dell'avviamento e il carico viene innestato dopo che il motore ha raggiunto la velocità nominale; per le apparecchiature a compressore, la valvola di bypass può essere utilizzata per scaricare la pressione del cilindro, ridurre la resistenza all'avviamento e, indirettamente, ridurre la corrente di avviamento.
In conclusione, l'eccessiva corrente di avviamento dei motori a corrente alternata è un fenomeno intrinseco determinato dalle loro caratteristiche elettromagnetiche, ma i suoi danni possono essere efficacemente controllati attraverso metodi di avviamento scientifici. In ambito industriale, è necessario combinare fattori quali la potenza del motore, le caratteristiche del carico e la capacità della rete elettrica per selezionare uno schema di soppressione "economico e applicabile" o "accurato e controllabile", in modo da garantire la sicurezza delle apparecchiature e migliorare la stabilità della produzione.
