Appunti di “Elettrotecnica e Macchine Elettriche” - L. Taponecco
Capitolo A - Azionamenti Elettrici
A-1. Introduzione.
Gli azionamenti elettrici sono sistemi più o meno complessi che consentono di far
fronte alla notevole varietà di tipologie di controllo del moto necessarie nei più
disparati campi di applicazione in ambiente civile, industriale, militare e nei sistemi
di trasporto.
Essi, oltre al motore elettrico, comprendono un sistema di conversione statica
dell'energia elettrica, degli organi di trasmissione ed eventuale trasformazione del
moto, dei sensori e un sistema di controllo (fig. A-1). Inoltre tra rete di
alimentazione e sistema di conversione statica dell'energia elettrica è generalmente
presente un trasformatore per adattare la tensione di rete a quella dell'azionamento
ed un filtro per limitare l'inquinamento della rete di alimentazione a causa della
presenza dei convertitori statici.
Fig. A-1
La attuale notevolissima importanza degli azionamenti elettrici deriva dal fatto che
essi consentono di ottenere un'energia meccanica pregiata con coppia e velocità
controllabili e quindi prestazioni altrimenti impossibili e di conseguire inoltre a
livello industriale vantaggi in termini di produttività, precisione di lavorazione e
contenimento dei consumi energetici.
Il sistema di controllo può essere diretto o in retroazione.
a) Il controllo diretto (feed-forward) si basa su una elaborazione degli ingressi
eseguita senza conoscere il valore dell'uscita del sistema controllato, essendo note
alcune proprietà del sistema da controllare. I motori elettrici della maggior parte dei
ventilatori sono controllati mediante un sistema di asservimento di questo tipo.
b) Il controllo in retroazione (feed-back), più complesso ma molto più flessibile del
primo e che può rendere stabile un sistema che di per sé non lo è, si basa sul fatto di
riportare all'ingresso del processo che si vuole controllare una funzione dell'uscita
che va sottratta al segnale presente in ingresso (retroazione negativa).
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A-2. Specifiche degli azionamenti elettrici.
L'azionamento elettrico interagisce con la rete elettrica attraverso i morsetti di
alimentazione, con la macchina azionata attraverso l'albero, con l'ambiente
attraverso i fenomeni di interscambio elettromagnetico e termico e con l'operatore
attraverso i segnali elettrici di comando (fig. A-2).
Fig. A-2
Per la sua progettazione o per la sua scelta é quindi fondamentale acquisire
preliminarmente un certo numero di informazioni, sulle caratteristiche funzionali
della macchina azionata, sulla rete di alimentazione disponibile e sull'ambiente in cui
deve operare.
1) Caratteristiche meccaniche statiche della macchina azionata; considerando le
applicazioni più comuni è possibile individuare i seguenti cinque casi tipici:
- macchine utensili, piallatrici, laminatoi, ecc.; l'attrito secco provoca una coppia
resistente costante al variare della velocità (fig. A-3a);
- macchine per mescolare; l'attrito viscoso determina una coppia resistente
proporzionale alla velocità (fig. A-3b);
- pompe, ventilatori e centrifughe; la coppia resistente cresce col quadrato circa
della velocità (fig. A-3c);
- avvolgitori; la coppia é inversamente proporzionale alla velocità (fig. A-3d);
- ascensori, montacarichi, ecc.; la gravità determina una coppia resistente costante al
variare della velocità e del senso di rotazione, che dipende dal peso sollevato; in
questo caso il carico è di tipo attivo (fig. A-3e).
a)
b)
c)
d)
e)
Fig. A-3
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2) Quadranti di funzionamento nel piano C-Ω in cui l'azionamento deve poter
lavorare e limiti di coppia, potenza e velocità per funzionamento continuo e
transitorio (fig. A-4).
Fig. A-4
3) Caratteristiche degli organi meccanici di trasmissione, riduzione e conversione
del moto.
4) Caratteristiche della rete di alimentazione disponibile: tensione, frequenza, tipo di
protezioni, livello di disturbi accettabili, ecc.
5) Caratteristiche ambientali: presenza di polveri, di agenti chimici aggressivi e di
miscele di gas che possono provocare esplosioni ed incendi, temperatura, umidità,
facilità o meno di accesso per la manutenzione.
A-3. Elementi del circuito di controllo.
Gli elementi fondamentali della parte di controllo degli azionamenti sono:
a) gli organi di riferimento che forniscono una grandezza di riferimento regolabile;
b) gli organi di comando che determinano lo stato dei tasti dei convertitori;
c) i regolatori che influiscono su stabilità, dinamica e precisione del sistema;
d) gli organi di misura che convertono le grandezze fisiche del sistema in segnali
elettrici (generalmente tensioni continue); i più comuni organi di misura sono i
sensori di corrente (ad effetto Hall), di velocità (dinamo tachimetrica) e di posizione
(encoder).
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A-4. Tipologie di azionamenti elettrici.
A-4/a Azionamenti in corrente continua
Gli azionamenti in corrente continua sono stati i primi ad essere sviluppati e sono
tuttora molto diffusi per la semplicità ed economicità del controllo e per le ottime
prestazioni dinamiche del motore. La presenza del commutatore meccanico
comporta però manutenzioni periodiche, limiti di velocità, limiti ambientali e
maggiore costo ed inerzia del motore.
Nelle figure A-5 e A-6 sono riportati due schemi di azionamenti in corrente continua
con regolazione in cascata per il controllo rispettivamente della posizione e della
velocità. Tali azionamenti sono costituiti da un raddrizzatore a ponte trifase a
tiristori, da un motore in corrente continua ad eccitazione separata, che può
funzionare in due quadranti del piano C-Ω e da sensori di corrente, velocità e
posizione.
Fig. A-5
Fig. A-6
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In figura A-7 è rappresentato un azionamento in corrente continua per il
controllo della coppia (tipicamente impiegato nelle macchine utensili e nei
robot), costituito da un raddrizzatore a ponte trifase a diodi, un filtro
capacitivo, un ramo di frenatura, un chopper a ponte a transistori e un motore
in corrente continua ad eccitazione separata, che può funzionare nei quattro
quadranti del piano C-Ω. La parte di controllo comprende un sensore di
corrente ed un regolatore ad isteresi, che, in base alla coppia desiderata (ia/ref),
determina gli istanti di accensione e spegnimento dei transistori.
Fig. A-7
Nel funzionamento a regime sono attivi due transistori (ad esempio T1 e T1') e gli
altri due (T2 e T2') sono fatti funzionare con logica complementare. Quando T1 e T1'
sono chiusi la tensione ai capi del circuito di armatura del motore coincide
praticamente con quella in ingresso al chopper e l'energia elettrica fornita dalla
alimentazione viene in parte trasformata in energia meccanica utile, in parte
immagazzinata nel campo magnetico del motore e in parte dissipata sotto forma
termica. Quando si apre T1 o T1' la tensione di armatura si annulla e l'energia
immagazzinata nel campo magnetico in parte si trasforma in energia meccanica e in
parte viene dissipata.
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A-4/b Azionamenti in corrente alternata.
L'evoluzione dell'elettronica di potenza e della microelettronica, in termini sia di
prestazioni che di costi, e l'individuazione di nuove strategie di controllo sono stati i
principali fattori che hanno consentito agli azionamenti in corrente alternata con
motori asincroni di ampliare sempre più il loro spazio applicativo a spese degli
azionamenti in corrente continua. Il principale motivo di tale tendenza è costituito
dai vantaggi connessi alla sostituzione di un motore a corrente continua con un
motore asincrono ed in particolare:
- maggiore robustezza e affidabilità;
- minore manutenzione, costo, vincoli ambientali e funzionali e inerzia.
I sistemi di conversione statica e di controllo sono però più complessi e costosi,
soprattutto nel caso in cui si richiedano all'azionamento elevate prestazioni
dinamiche.
In figura A-8 è rappresentato un azionamento asincrono trifase con controllo in
tensione della velocità, costituito da un parzializzatore di tensione, da un motore
asincrono trifase e da un sensore di corrente ed uno di velocità. Si tratta di un
azionamento semplice e di basso costo ma caratterizzato da scadenti prestazioni,
limitato campo di variazione della velocità, bassa coppia di spunto e notevole
inquinamento della rete di alimentazione; le applicazioni più comuni riguardano gli
azionamenti per pompe e ventilatori.
Fig. A-8
Gli azionamenti con controllo in frequenza e tensione (o corrente) sono quelli di
gran lunga più diffusi. Il controllo della frequenza consente infatti di ottenere campi
di variazione della velocità ampi, elevati rendimenti anche per bassi valori della
velocità, alte coppie di spunto e buona dinamica.
Se al variare della frequenza si varia anche il valore efficace della fondamentale
della tensione (o della corrente) di alimentazione in modo tale da mantenere, a
regime stazionario e per velocità inferiori alla nominale, il flusso pari a quello
nominale si ottiene piena potenzialità di coppia per qualsiasi velocità e ottimo
sfruttamento del motore.
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Per velocità maggiori della nominale il valore efficace della fondamentale della
tensione (o della corrente) di alimentazione viene mantenuto costante e pari a quello
nominale e quindi il flusso e la coppia variano in modo inversamente proporzionale
alla velocità (fig. A-9).
Fig. A-9
Fig. A-10
In figura A-10 è rappresentato un azionamento asincrono trifase con controllo
scalare in frequenza e tensione della velocità, costituito da un inverter VSI, da un
motore asincrono trifase e da un sensore di velocità.
Negli azionamenti asincroni a controllo scalare non essendo possibile imporre la
condizione di flusso nominale anche durante i transitori, le risposte dinamiche non
sono molto pronte e, a causa delle notevoli escursioni della corrente, è necessario
utilizzare convertitori di potenza più elevata.
Tali inconvenienti possono essere superati adottando una tecnica di controllo
vettoriale, in cui si controlla assieme alla frequenza sia l'ampiezza che la fase della
fondamentale della tensione (o della corrente) imposta. Tale tecnica, che comporta
consistenti manipolazioni dei segnali e necessita notevoli potenzialità di calcolo,
comporta rispetto a quella scalare un migliore comportamento dinamico ed un
minore sovradimensionamento del convertitore.
Quando poi, come ad esempio nella trazione elettrica, non è necessario un preciso
controllo della velocità ma piuttosto una risposta in coppia molto pronta, la strategia
di controllo più idonea è il controllo diretto di coppia. In tale tecnica, il cui
principale obiettivo è ottenere eccellenti prestazioni dinamiche impiegando strutture
di controllo relativamente semplici e con ridotta potenzialità di calcolo, il controllo
impone direttamente, in base allo stato elettromagnetico della macchina, le
opportune configurazioni dei tasti dell'inverter e quindi la tensione più idonea ai
morsetti del motore.
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A-4/c Azionamenti brushless.
Gli azionamenti brushless presentano i pregi ma non gli inconvenienti tipici degli
azionamenti in corrente continua (connessi alla presenza del commutatore
meccanico). Tali azionamenti quindi sono particolarmente adatti per l'automazione
industriale, la robotica, le macchine utensili, i veicoli a propulsione elettrica, gli
attuatori aerospaziali, ecc..
In figura A-11 è rappresentato un azionamento brushless trapezoidale per il
controllo della velocità.
Fig. A1-11
In tali azionamenti il controllo rende attivi contemporaneamente solo due (fig. A-12)
dei sei tasti dell'inverter e quindi solo due (fig. A-13) delle tre fasi del motore sono
alimentate contemporaneamente con correnti aventi a regime andamenti idealmente
rettangolari (di estensione pari a 120° elettrici e ampiezza regolabile) con valore
nullo negli intervalli in cui la corrispondente f.c.e.m. di fase (ad andamento
trapezoidale) é variabile (fig. A-14).
Fig. A-12
Fig. A-13
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Fig. A-14
In relazione ai possibili stati delle correnti, il campo statorico può assumere solo 6p
posizioni spaziali. Ne consegue che lo sfasamento tra i vettori rappresentativi dei
campi statorico e rotorico varia con continuità tra 60° e 120° elettrici e che pertanto
per il controllo della commutazione delle fasi si possono utilizzare sensori di
posizione poco costosi.
Un inconveniente degli azionamenti brushless trapezoidali è costituito dalla
presenza di ondulazioni di coppia all'asse. Tale problema può essere superato
utilizzando azionamenti brushless sinusoidali, nei quali, grazie ad un controllo
più complesso e ad un sensore di posizione ad alta risoluzione, l'inverter alimenta
contemporaneamente tutte e tre le fasi del motore imponendo una terna di correnti
sinusoidali, le cui fasi sono rigidamente vincolate alla posizione del rotore.
In tali azionamenti pertanto il fasore rappresentativo del campo ruotante statorico
può assumere ogni posizione spaziale e mantenersi quindi sempre ortogonale a
quello del campo ruotante rotorico con conseguente molto minore ondulazione di
coppia all'asse e molto maggiore risoluzione nel controlli di posizione.
In figura A-15 è riportato un confronto tra tecnica trapezoidale e sinusoidale.
Fig. A-15
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A-4/d Azionamenti passo-passo.
Gli azionamenti passo-passo (fig. A-16a) sono costituiti da:
- un'unità di controllo (microprocessore),
- un blocco logico che converte le informazioni dell'unità di controllo in comandi
logici temporizzati,
- un convertitore statico che provvede alla corretta alimentazione del motore (fig. A16a),
- un motore passo-passo.
Fig. VIII-16a
Fig. VIII-16b
Caratteristiche peculiari degli azionamenti passo-passo sono:
- controllo generalmente ad anello aperto ;
- mantenimento delle posizioni di equilibrio stabile senza necessità di retroazione;
- elevata rapidità e precisione di posizionamento;
- alto rapporto coppia/inerzia.
In relazione alle loro eccezionali prestazioni tali azionamenti sono la soluzione
ideale quando si desidera ottenere posizionamenti veloci e precisi in applicazioni di
piccola potenza (P<1 kW, e C<15-20 Nm) quali: robotica, macchine a controllo
numerico, stampanti, orologi elettronici, strumenti scientifici, ecc.
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A-4/e Azionamenti SRM.
L'attuale crescente interesse nei confronti degli azionamenti SRM è dovuto al
fatto che tali azionamenti risultano meno costosi e più affidabili di tutti gli altri
tipi di azionamenti e i loro principali aspetti negativi (elevata ondulazione di
coppia ed alti livelli di rumore acustico), grazie agli sviluppi dell'elettronica
industriale e alla possibilità di implementare tecniche di controllo più sofisticate,
sono attualmente meno gravosi.
In figura A-17 è riportato lo schema di un azionamento SRM 6/4.
Fig. A-17
L'utilizzo degli azionamenti SRM si sta estendendo a svariati prodotti destinati al
grande consumo, quali: auto, lavatrici, ventilatori, aspirapolvere, pompe. In figura
A-18 è mostrato un esempio; nella macchina per la movimentazione terra,
accanto al furgoncino, le quattro ruote motrici sono azionate da quattro SRM.
Fig. A-18
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