Corrente di spunto del motore

Di Andy Sagl

La corrente di spunto del motore, ovvero l'elevato picco di corrente assorbita da un motore all'avvio, può avere un effetto negativo sulle reti di alimentazione e sui sistemi di protezione, come spiega Andy Sagl, Product Manager di Megger.

Quando un motore CA viene eccitato utilizzando uno starter con contattore convenzionale, il motore e i conduttori che lo alimentano vengono attraversati da un picco di corrente elevato. Questa corrente, che supera di gran lunga la corrente nominale indicata sulla targhetta dati del motore, è necessaria per superare l'inerzia combinata dell'albero motore fisso e del carico che il motore sta azionando.

Quando a un motore viene applicata l'alimentazione trifase, gli avvolgimenti dello statore, ovvero gli avvolgimenti fissi nel telaio del motore, vengono eccitati. La corrente in questi avvolgimenti genera un campo magnetico rotante che induce la corrente nell'avvolgimento del rotore, ovvero l'avvolgimento sulla parte rotante del motore. La corrente del rotore produce inoltre un campo magnetico; i campi prodotti dallo statore e dal rotore interagiscono in modo tale da far ruotare il rotore.

Figura 1: corrente di spunto del motore all'avviamento

Figura 2: tensione di linea (in alto) e corrente del motore durante l'avviamento del motore

Figura 3: effetto del carico sulla durata della corrente di spunto del motore

Figura 4: effetto della tensione di alimentazione sulla durata della corrente di spunto del motore

Il rotore accelera fino a raggiungere una velocità vicina a quella sincrona, ovvero la velocità del campo rotante prodotto dallo statore. Tuttavia, il rotore non raggiunge mai davvero la velocità sincrona: in tal caso non ci sarebbe alcuna corrente indotta del rotore e il motore non produrrebbe alcuna coppia. La differenza tra la velocità effettiva del rotore e la velocità sincrona è solitamente espressa con il termine slittamento, dove slittamento = (velocità sincrona - velocità di rotazione) ÷ velocità sincrona

Quando il motore è fermo, lo slittamento è uguale a 1. Quando funziona normalmente, il valore dello slittamento dipende dal carico, ma in genere varia da circa 0,05 per i motori piccoli fino a 0,01 per i motori grandi.

All'avviamento, lo slittamento è uguale a 1: è proprio questo valore elevato dello slittamento il fattore che contribuisce maggiormente alla corrente di spunto. Man mano che il rotore accelera, lo slittamento diminuisce e la corrente di spunto scende fino a raggiungere la normale corrente di funzionamento del motore, come mostrato nella Figura 1. L'entità della corrente di spunto dipende dal tipo di motore e dal metodo di avviamento. Per i motori industriali standard avviati direttamente in linea, sono tipiche le correnti di spunto con portata tra le otto e le dieci volte superiore rispetto alla normale corrente di esercizio. Per i motori ad alta efficienza, la corrente di spunto può essere ancora maggiore.

Figura 5: variazione della corrente di spunto per un motore in un periodo di due settimane

Figura 6: transitori di corrente (in basso) e cali di tensione derivanti da variazioni del carico di un motore

Se non sono stati selezionati correttamente, la corrente di spunto può far attivare i dispositivi di protezione del motore (sovraccarichi e fusibili); tuttavia è più frequente che il calo di tensione causato dal grande flusso di corrente (vedere Figura 2) causi malfunzionamenti in altri dispositivi collegati allo stesso circuito del motore. Le cadute di tensione possono far scattare controller e carichi non in linea. I dispositivi a potenza costante aumentano l'assorbimento di corrente per compensare la tensione più bassa, causando eventualmente lo sgancio dei dispositivi di protezione da sovracorrente. Inoltre, nei casi più gravi, il calo di tensione può essere così grande che il motore non riesce a sviluppare una coppia sufficiente per l'avviamento.

Il carico del motore e le caratteristiche del sistema di alimentazione influiscono sulla corrente di spunto del motore. Un motore con carico pesante assorbe corrente di spunto per un periodo di tempo più lungo rispetto a un motore con carico leggero, come si può vedere nella Figura 3. Analogamente, se la tensione di alimentazione è bassa, insieme alla durata della corrente di spunto viene esteso anche il tempo di avviamento del motore, come mostrato nella Figura 4. Ciò rende più probabile l'attivazione dei dispositivi di protezione.

Quando si caratterizza la corrente di spunto del motore, è necessario acquisire una forma d'onda con una durata di alcuni secondi, così da poter osservare il comportamento della corrente dal valore di spunto allo stato stazionario. Inoltre, un singolo test della corrente di spunto potrebbe non fornire informazioni sufficienti per risolvere i problemi. I motori vengono spesso avviati e arrestati più volte durante la giornata, con carichi e tensioni di alimentazione variabili che influiscono sulla corrente di spunto. Il monitoraggio deve quindi essere eseguito per un periodo di tempo prolungato. Il motore nella Figura 5 è stato monitorato per due settimane ed è evidente che in questo lasso di tempo la corrente di spunto è variata significativamente.

Apportare modifiche ai processi dei propri stabilimenti può alterare il carico sul motore, con conseguente influenza sulla corrente assorbita. Nelle applicazioni di questo tipo, è essenziale monitorare il motore durante tutto il ciclo di produzione, poiché le variazioni del carico del motore possono causare transienti di corrente che fanno scattare i dispositivi di protezione o creano cali di tensione che fanno scattare altre apparecchiature non in linea (vedere Figura 6).

Per valutare con precisione il funzionamento di un motore e il suo impatto su altre apparecchiature, è essenziale monitorare il motore per almeno un ciclo di produzione completo e, idealmente, per diversi cicli. Tensione, corrente, potenza attiva, potenza reattiva, potenza apparente e fattore di potenza devono essere tutti monitorati in base ai singoli cicli di produzione, poiché i valori aggregati nel tempo sono spesso fuorvianti.

Inoltre, è necessario implementare un trigger per gli sbalzi di corrente che attiva l'acquisizione della forma d'onda quando la corrente monitorata nel circuito supera un determinato valore. L'acquisizione dovrebbe durare almeno 10 secondi e considerare tutti i canali contemporaneamente. In questo modo verranno acquisiti tutti i dati, dalla corrente di spunto iniziale fino allo stato stazionario, ogni volta che il motore viene avviato.

Come abbiamo visto, la corrente di spunto associata all'avviamento del motore può causare una serie di problemi negli impianti di alimentazione. Tuttavia, con un buon analizzatore della qualità dell'alimentazione, risalire all'origine del problema è di solito semplice.

Il rimedio dipenderà dall'applicazione, ma in alcuni casi può, ad esempio, essere possibile sostituire gli starter elettromeccanici convenzionali del motore con soft starter o azionamenti a velocità variabile. Questi forniscono un'accelerazione controllata del motore durante l'avviamento e riducono notevolmente l'entità della corrente di spunto. Inoltre, riducono l'usura meccanica del motore e del carico generato e, nel caso degli azionamenti a velocità variabile, spesso rendono possibile un aumento significativo dell'efficienza energetica.