Motore bifase e motore trifase: confronto tra coppia, cablaggio, efficienza e costi

Un azionamento della pompa da 2,2 kW esce per un preventivo e viene restituito come due macchine diverse. Un fornitore propone un pacchetto bifase: un set di avvolgimento in quadratura di 90 gradi, un amplificatore abbinato e quattro conduttori di alimentazione nella distinta base. L'altro propone un motore a induzione trifase che si fissa direttamente al convertitore di frequenza già presente nel pannello. Entrambi gireranno la pompa. Solo una sembrerà la decisione giusta quando la macchina entrerà nella produzione in serie.

Parte della confusione riguarda i nomi. "Bifase" viene utilizzato per tre cose diverse sul tavolo da disegno: una vera macchina bifase con due avvolgimenti a 90 gradi di distanza, un servomotore o motore passo-passo bifase con un avvolgimento di riferimento e un avvolgimento di controllo e l'avvolgimento ausiliario di quello che è realmente un motore a induzione monofase. I fornitori utilizzano la stessa etichetta per tutti e tre, ed è qui che iniziano costosi errori di specifica.

Ciò che distingue effettivamente un motore bifase da un motore trifase

La differenza inizia nell'avvolgimento, non nella targhetta. Uno statore trifase trasporta tre avvolgimenti identici spostati di 120 gradi elettrici. Alimentata con correnti bilanciate, la forza magnetomotrice risultante mantiene una grandezza costante e ruota a velocità sincrona, motivo per cui la coppia trifase rimane uniforme sotto carico. Un vero statore bifase porta due avvolgimenti sfasati di 90 gradi e quando entrambi sono guidati con correnti bilanciate produce anche un campo rotante costante.

Il bifase quindi non è automaticamente più ruvido del trifase. La rugosità appare quando l'alimentazione in quadratura perde l'equilibrio: il campo diventa ellittico, il flusso del traferro pulsa e la coppia si increspa a una frequenza di scorrimento doppia. Una rete di condensatori mantiene la relazione di 90 gradi solo in un punto operativo, motivo per cui un motore bifase necessita di un servoazionamento quando il carico varia.

Cosa cambia il conteggio delle fasi nell'hardware

• Trifase, tre fili: tre conduttori di linea trasportano il carico del motore e non è necessario il neutro, quindi cavo, terminali e contattori rimangono più piccoli.
• Bifase, quattro fili: quattro conduttori e quattro terminali, con circa il 25% in più di rame nel cavo di alimentazione a parità di potenza.
• Potenza per conduttore: a parità di sezione trasversale del conduttore e di uguale tensione linea-linea, un circuito trifase a tre fili sposta circa 1,2 volte la potenza di un circuito bifase a quattro fili.
• Avviamento: un motore trifase si avvia automaticamente con alimentazione diretta, mentre un motore bifase necessita di un'alimentazione in quadratura, di una rete di condensatori o di un azionamento elettronico.

Entrambi i progetti poggiano sulla stessa base: uno statore laminato e un nucleo del rotore. Il numero di slot, l'inclinazione, la lunghezza della pila e il metodo del giunto di laminazione determinano l'ondulazione della coppia misurata sul banco di prova e la stessa attrezzatura di pressatura serve entrambe le disposizioni di avvolgimento. Questa sovrapposizione è il motivo per cui le specifiche fondamentali di solito contano più dell’etichetta di fase nelle prime revisioni della progettazione.

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Motori bifase e trifase: un confronto affiancato

Il confronto seguente descrive rispettivamente l'alimentazione bifase bilanciata e l'alimentazione trifase. Il funzionamento a due fasi sbilanciato degrada ogni cifra nella colonna di destra.

Metriche nascoste: dove il conteggio delle fasi costa effettivamente denaro

Il potere della targhetta nasconde la maggior parte della differenza. I cinque indici seguenti collocano un motore bifase bilanciato accanto a un motore trifase con la stessa potenza nominale su una scala condivisa dove trifase equivale a 100. Si tratta di parametri di riferimento relativi derivanti dalla tipica pratica di laminazione e avvolgimento, non di misurazioni assolute.

La disponibilità dell'unità è il punto in cui la bifase perde più terreno. Gli azionamenti a frequenza variabile standard, gli avviatori statici e i contattori diretti presuppongono un'uscita trifase e un asse bifase necessita di un amplificatore abbinato o di una rete di condensatori che mantenga la relazione di 90 gradi solo in prossimità della velocità nominale. La compattezza del telaio segue la stessa logica: un avvolgimento trifase distribuisce il rame attorno all'intera circonferenza dello statore, quindi un dato telaio trasporta più coppia prima che gli avvolgimenti si saturino.

La qualità del materiale sposta questi numeri tanto quanto il conteggio delle fasi. La perdita del nucleo, lo spessore della laminazione e la qualità del rivestimento modificano la perdita di ferro in entrambe le topologie e un acciaio con perdite inferiori spesso recupera più efficienza rispetto a un cambiamento di fase con la stessa dimensione del telaio. I compromessi materiali sono illustrati in questa guida selezione della bobina in acciaio al silicio .

Il metodo di impilamento è la seconda leva. I nuclei interlock, incollati e saldati differiscono nel fattore di impilamento e nel rischio di cortocircuiti tra la laminazione, che si manifesta come perdita extra di vortici e, negli assi sensibili, come ondulazione di coppia misurabile a bassa velocità. Per lavori di posizionamento in cui l'ondulazione è il fattore limitante, una pila interbloccata fornisce un'altezza di costruzione ripetibile senza tempo di polimerizzazione dell'incollaggio.

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Dove ogni topologia viene ancora specificata

Un quadro approssimativo di ciò che passa oggi attraverso le presse di laminazione e le linee di saldatura dei telai è simile al grafico seguente. Consideralo come il mix di ordini di un fornitore di componenti piuttosto che come una ricerca di mercato.

La domanda bifase si concentra nel posizionamento: servoassi, azionamenti passo-passo, strumenti ottici e medici e vecchi armadi di controllo che non sono mai stati ricablati. La potenza raramente supera alcuni kilowatt e il motore viene solitamente scelto dal fornitore dell'azionamento piuttosto che dal costruttore della macchina.

Il trifase accetta tutto ciò che funziona ininterrottamente o ad alta potenza. I generatori eolici, la propulsione marina e i motori industriali ad alta tensione utilizzano tutti avvolgimenti trifase e il lato meccanico è ugualmente indifferente al conteggio delle fasi: un telaio scatolato saldato con il giusto percorso di raffreddamento, interfaccia di montaggio e protezione dalla corrosione serve la macchina in ogni caso, come in questi basi motore scatolate industriali saldate .

Guida alla selezione: cinque controlli prima di impegnarsi

Elaborateli in ordine. I primi tre solitamente determinano il conteggio delle fasi prima che il prezzo entri nella discussione.

Note su manutenzione, conformità e fornitura a lungo termine

Il conteggio delle fasi modifica la progettazione elettrica, ma gli obblighi di manutenzione e conformità che seguono la messa in servizio di una macchina sono ampiamente condivisi:

• Squilibrio di tensione: i motori trifase tollerano uno squilibrio di circa l'1-2% prima che la corrente di sequenza negativa riscaldi il rotore e costringa il declassamento. Squilibrio registrato durante la messa in servizio e dopo qualsiasi modifica del pannello.
• Isolamento e classe termica: verificare l'aumento di temperatura rispetto alla classe di isolamento, soprattutto nei servotelai bifase compatti dove l'avvolgimento si avvicina al limite termico.
• Tensione dell'albero con PWM: le correnti di modo comune provenienti da azionamenti a frequenza variabile possono influenzare i cuscinetti nel tempo. Le chiusure isolate delle estremità dei cuscinetti sul lato non di azionamento sono una soluzione standard sia per i servomotori bifase che per i motori di azionamento trifase.
• Strutture saldate: i telai prodotti secondo un sistema di gestione della qualità della saldatura come ISO 3834 sono sottoposti a un controllo di processo documentato, che è importante per le applicazioni marine ed eoliche in cui vengono verificate l'integrità della saldatura e la protezione dalla corrosione.
• Sistemi di gestione: la copertura ISO 9001 e IATF 16949 indica al team di approvvigionamento che il materiale in entrata, i parametri di processo e l'ispezione finale seguono un percorso documentato. Richiedi l'ambito del certificato, non solo il certificato.

Qualunque sia il conteggio delle fasi su cui si basa un progetto, la catena di fornitura meccanica e magnetica cambia poco. L'acciaio al silicio, la laminazione, i nuclei impilati, i telai saldati e le chiusure terminali servono un asse bifase e una trasmissione trifase con la stessa disciplina di processo. Stabilire tali specifiche durante la revisione del progetto è sempre più economico che scoprirle durante l'assemblaggio del prototipo.