Azionamenti Elettrici

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1 Azionameni Elerici Scela e dimensionameno dell'azionameno Prof. Albero Tonielli, Ing. Andrea Tilli DEIS - Universià di Bologna ailli@deis.unibo.i Revisionao: 30/11/2005

2 Indice Schede riassunive delle caraerisiche dei diversi azionameni Scela dell'azionameno albero decisionale scela della ipologia scela del modello (aglia) moi uniformi moi ciclici calcolo della coppia efficace (r.m.s.) problemi ermici scela del converiore esempio numerico Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-2

3 Azionameni a moore a colleore a MP Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso oima oimo eccellene 6 8 con moori speciali No fino a qualche MW (non per MP) ampia, in calo. No per nuovo conenuo a bassa poenza Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-3

4 Azionameni a moore sincrono Trapezoidale Regolazione oima, buona ad ala velocià Inseguimeno buono Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso buona 2 4 No < 5 kw ampia, in calo conenuo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-4

5 Azionameni a moore sincrono Sinusoidale Regolazione oima, cogging a bassissima veloc. Inseguimeno eccellene Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso massima (con moore a bassa inerzia) 4 6 No < 10 kw ampia, sandard indusriale elevao, in calo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-5

6 Az. a moore asincrono con Inverer (onrollo V/f) Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso scadene, caena apera scadene discrea, dipende dal carico 2 4 Si 0.5 kw 1MW amplissima, sandard indusriale minimo per kw Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-6

7 Azionameni a moore asincrono Veoriale Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso eccellene eccellene eccellene, legg. infer. a sincrono 4 6 Si < 500 kw modesa, in grande crescia elevao, in calo. +15% Inverer Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-7

8 Azionameni a moore Passo passo Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso buona buono discrea No No, problemi ala velocià < 5 kw ampia per piccole poenze conenuo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-8

9 Azionameni a moore oppia a RV Regolazione Inseguimeno Risposa dinamica Exra coppia Exra velocià Taglie Diffusione oso oima. posizion. <10-5 rad oimo buona. Presa direa No No < 300 Nm bassissima, Roboica molo elevao Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-9

10 Scela dell Azionameno Fase 1 Scela della ipologia Fase 2 Scela del cosruore Albero decisionale Specifiche sul movimeno lasse di poenza/coppia Vincoli di coso Vincoli di coso Ragioni commerciali Richiese del cliene Fase 3 Scela del modello (aglia) Deagli sul movimeno Dimensionameno moore Dimensionameno converiore Verifiche ermiche Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-10

11 Scela dell Azionameno La scela dell azionameno va faa il più preso possibile vanno valuai in anicipo lo spazio per allocare il moore la necessià di raffreddarlo il miglior compromesso ra meccanica e azionameno masse momeni di inerzia arii sisemi di rasmissione Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-11

12 Scela della ipologia di Azionameno Specifiche sul movimeno Variazione di velocia' (senza reroazione) nasri, venole, pompe, mulini, forni, razione,.. asincrono con Inverer o conrollo direo di coppia c.c. per le piccole poenze o la razione passo-passo per piccole poenza Regolazione di velocia' (con reroazione) essile, mandrini, macchine auomaiche mono-auaore,.. sincrono sia rapezoidale che sinusoidale asincrono con Inverer, con conrollo direo di coppia o con conrollo veoriale c.c. per applicazioni a basso poenza (coso) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-12

13 Scela della ipologia di Azionameno Specifiche sul movimeno Regolazione di posizione ad asse singolo sampani, pick and place, semplici manipolaori,.. sincrono rapezoidale sincrono e asincrono a conrollo veoriale passo-passo per piccole poenze conrollo di posizione senza sensore di solio serve anche una scheda assi Inseguimeno di posizione ad asse singolo posizionaori a singolo asse sincrono e asincrono a conrollo veoriale passo-passo per piccole poenze serve anche una scheda assi eserna Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-13

14 Scela della ipologia di Azionameno Specifiche sul movimeno Inseguimeno di posizione muliasse coordinao robo, macchine uensili,... sincrono, asincrono a conrollo veoriale moore coppia a riluanza variabile in presa direa passo passo per piccole poenze serve una scheda assi eserna Inseguimeno di posizione muliasse sincronizzao macchine auomaiche muliauaore,... sincrono, asincrono a conrollo veoriale passo passo per le piccole poenze le funzioni di sincronizzazione possono essere implemenae sull azionameno o su scheda eserna Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-14

15 Scela della ipologia di Azionameno lasse di poenza dei moori / Azionameni poenza < 0.25kW passo passo a colleore poenza kW passo passo sicrono rapezoidale/sinusoidale asincrono moore coppia a RV poenza 1 10kW sincrono sinusoidale/rapezoidale asincrono poenza > 10kW asincrono a colleore (D) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-15

16 Scela della ipologia di Azionameno lasse di poenza dei converiori poenza <1kW (alimenazione monofase 230V) MOS-FET o IGBT poenza <1kW (alimenazione rifase 400V) IGBT poenza 1 500kW IGBT poenza kW IGBT GTO poenza > 1000kW GTO Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-16

17 Scela del cosruore L azienda si serve di forniori selezionai ragioni di diffusione sul mercao pezzi di ricambio assisenza richiese del cliene mercao europeo mercao americano mercao asiaico disponibilià dell azionameno desiderao non ui gli azionameni sono disponibili dallo sesso cosruore cosi Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-17

18 Dimensionameno dell'azionameno Albero decisionale descrizione del ipo di movimeno movimeni uniformi movimeni ciclici dimensionameno del moore aglia velocià massima/exravelocià poenza dimensionameno del converiore aglia correne/exracorrene (Valuazione quaniaiva calcoli ) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-18

19 Dimensionameno dell'azionameno Uilizzo di azionameni in condizioni operaive non sandard alezza (H) e emperaura ambiene (T) condizionano il raffreddameno del moore. Occorre enerne cono con coefficieni correivi ( 1) della poenza (coppia). 1 H < 1km K H H H > 1km T < 40 K T T 40 1 T > Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici km 2km 3km

20 Dimensionameno dell'azionameno Descrizione del ipo di movimeno Moo quasi uniforme variazione/regolazione di velocià il funzionameno a regime domina sui ransiori il carico è prevalenemene dissipaivo dimensionameno a regime (poenza) verifica nei ransiori (coppia) Moo ciclico inseguimeno di velocià regolazione/inseguimeno di posizione camme/assi elerici i ransiori dominano il movimeno il carico è prevalenemene inerziale dimensionameno in ransiorio (coppia) verifica sul ciclo (poenza) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-20

21 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al carico ω a velocià aso A i ransiori non ineressano il carico principale è dissipaivo Ovvero: Il empo in cui viene eseguio l avviameno non e vincolao accelerazione Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-21

22 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al moore ω P velocià coppia poenza Profili di moo aso A i ransiori non ineressano il carico principale è dissipaivo P r bisogna considerare i rendimeni della caena cinemaica dimensionameno meccanico del moore P nomm P r /(K H K T ) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-22

23 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al moore ω velocià Profili di moo aso A i ransiori non ineressano il carico principale è dissipaivo Soluzione da velocià max e ipo di moore P coppia rapporo di riduzione oale (Aenzione!!) poenza profili di coppia/poenza all asse (verifica) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-23

24 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Il converiore deve essere in grado di funzionare alla ensione nominale del moore e va dimensionao per la correne che deve erogare coppia aso A i ransiori non ineressano max < (1.5-2) nom Profilo di coppia al moore max nom Il converiore si dimensiona sul valore di coppia nominale coppia I = nom conv k nom c L exra-correne la fornisce il converiore per un empo limiao Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-24

25 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al carico ω a velocià coppia Profili di moo aso B i ransiori ineressano anche il carico inerziale è significaivo I empi di accelerazione iniziali non possono essere arbirariamene bassi Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-25

26 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi ω velocià Moore Profili di moo al moore aso B i ransiori ineressano anche il carico inerziale è significaivo bisogna considerare i rendimeni della caena cinemaica e l inerzia del roore P coppia poenza P r ome in precedenza: dimensionameno meccanico del moore P nomm P r /(K H K T ) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-26

27 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al moore ω velocià Profili di moo aso B i ransiori ineressano anche il carico inerziale è significaivo Soluzione da velocià max e ipo di moore P coppia rapporo di riduzione oale Aenzione!! poenza profili di coppia/poenza all asse (verifica) Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-27

28 Dimensionameno dell'azionameno - moi uniformi Profili di moo al moore ω velocià onveriore max K exra nom I = nomconv K max > K exra nom nom c max coppia nom I = nom conv K K c max exra K exra è la cosane di exracorrene dell'azionameno I max = K exra I nom per un empo ed un numero di ripeizioni al minuo limiai Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-28

29 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Profili geomerici di moo ϑ Profili di moo I ransiori deerminano il dimensionameno il carico inerziale è dominane. ϑ.. ϑ 0 2π ciclo macchina ϑ m ϑ m In una macchina auomaica i profili di moo sono definii in modo geomerico (posizione dell'asse Slave in funzione di quella dell'asse Maser), per poer essere riuilizzai alle diverse velocià operaive ϑ m Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-29

30 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Il dimensionameno di sisemi in moo ciclico è abbasanza complicao gli elemeni coinvoli sono calcolo del faore di servizio dimensionameno ermico del moore scela del rapporo di riduzione oimale aenzione alla velocià massima scela dei profili di moo (approfondia in alri corsi) scela per favorire l'inseguimeno da pare dell'azionameno scela per minimizzare la coppia (massima o efficace) e/o la velocià massima scela per minimizzare le vibrazioni impose alla sruura Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-30

31 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici ϑ. ϑ 0 2π ciclo macchina Profili geomerici di moo ϑ m I ransiori deerminano il dimensionameno il carico inerziale è dominane caso peggiore N max di baue al min... ϑ ϑ m ϑ m Le girae divenano empi La procedura di dimensionameno è compleamene diversa da quella sviluppaa per i moi uniformi e può essere ieraiva Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-31

32 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Profili di moo emporali ϑ ω iclo di servizio inermiene Le perdie sul moore non corrispondono linearmene alla poenza rasferia al carico. il moore va dimensionao in coppia Modello delle perdie Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-32

33 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Modello delle perdie P P diss cu = k c i diss cu = = Ri 2 K 2 P P diss cu eff = k diss cu c = i = Ri eff K 2 eff 2 eff Per il moore ad induzione va reinerpreaa perché non ua la correne produce coppia i = i m +i c Il moore è dimensionao in modo da raggiungere il correo equilibrio ermico quando eroga cosanemene la poenza nominale P diss cu P diss _ nom eff nom va calcolaa Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-33

34 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Modello delle perdie ϑ ω max i T oppia efficace (r.m.s.) Nel caso di profili rapezoidali di ω se definiamo rms rms = = max δ i max k i 2 i k T La coppia che il moore deve erogare per accelerare il carico dipende dal rapporo di accoppiameno rms rms i T = 0 = m k i 2 T 2 i T () 1 d i δ faore di servizio Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-34

35 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Effei ermici di un moo ciclico rms T T Gli effei ermici del ciclo porano a dimensionare: il moore rms il converiore max Temperaura dei ransisori Temperaura del moore Temperaura del moore con = osane = rms Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-35

36 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici ϑ, ω, ω.. ϑ 1, ω 1, ω 1 J m J r s, v, a M p k r Moore + riduore ϑ, ω, ω.. ϑ 1, ω 1, ω 1 J m k r J r J eqc inemaismo Per calcolare J eqc sono a vole necessarie più rasformazioni successive momeno di inerzia equivalene del cinemaismo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-36

37 Dimensionameno dell'azionameno alcolo del momeno di inerzia equivalene del cinemaismo J eqc = J vie + J eqcarico dao di cosruzione M v e = Equivalenza delle energie immagazzinae 1 Mv 2 2 e = 1 2 J eqcarico ω ω 1 J eqcarico 2 1 J eqcarico 2 ω1 ka k a = (ω 1 /v) rapporo di accoppiameno del cinemaismo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici v M = M =

38 Dimensionameno dell'azionameno alcolo della coppia equivalene ad una forza di carico sul cinemaismo M v P = f fv equilibrio poenze v c = f = ω 1 ω 1 J eqcarico P = cω 1 k a = rapporo di accoppiameno del cinemaismo Gli sessi calcoli energeici si possono uilizzare nel caso di carico roane (sosiuendo ω 2 a v) o di inerconnessione di un riduore ra il moore e la vie Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-38 f k a c

39 Dimensionameno dell'azionameno ϑ, ω, ω. J r ϑ 1, ω 1 J m k r p Esempio di dimensionameno f M s, v, a Passo 1 - Sima della poenza necessaria a muovere il carico v a a i v max T 5 6 a max E' l'unico dao che posso calcolare a priori, senza aver scelo il moore. Serve per avere una idea della classe di moore e quindi delle sue velocià massima ed inerzia, necessari per definire il rapporo di riduzione Forza efficace ( δ Ma f ) * max + P c = vmax * Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-39 η k r =1 * c P < P < M k rop * 2P c Rendimeno meccanico

40 Dimensionameno dell'azionameno ϑ, ω, ω. J Esempio di dimensionameno r ϑ 1, ω 1 p f M J m k r s, v, a Passo 1 - Sima della poenza necessaria a muovere il carico v a a i v max T T a max 5 6 Faore di servizio a k k i = δ = P * c i a max = sima a di J m Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-40 v 2 i ( δ Ma ) max max * η i Si sceglie (di enaivo) un moore con P c* < P M <2 P c * J m *

41 Dimensionameno dell'azionameno ϑ, ω, ω. J m k r J r ϑ 1, ω 1 p Esempio di dimensionameno f M s, v, a Passo 2 - alcolo del rapporo di riduzione = ω v k a 1 * ω k r = ω max M 1max ω ω 1max = k a vmax 1max = k a amax J = eqc M k 2 a k r deve generare ω maxm compaibile con il moore prescelo Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-41

42 Dimensionameno dell'azionameno ϑ, ω, ω. J m k r J r ϑ 1, ω 1 p Esempio di dimensionameno f M s, v, a Passo 3 - calcolo dei parameri all'albero moore ω ω max max = = k k r r k k a a v a max max J J J J η 1 * * ( ) o = m + r + eq rms ( J ω ) = δ o max = J ω max o max J = eq J eqc 2 r k alrimeni Ripeere dal passo 2 con moore più grande Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-42 Se max < rms < KK T H max M nomm Moore O.K.

43 Dimensionameno dell'azionameno Problemi ermici al converiore Il converiore fornisce exracorrene (k exra I nom ) per un empo limiao (k exra = 1.5 3) due casi exracorrene per un empo fisso exracorrene in funzione della poenza dissipaa empo inversamene proporzionale al valore il comporameno dinamico e la capacià di conrollare le coppie di carico non sono cosani assi singoli si può sfruare l exracorrene per oimizzare i cosi assi coordinai per garanire il sincronismo occorre fare mola aenzione alla saurazione di correne Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-43

44 Dimensionameno dell'azionameno - moi ciclici Dimensionameno del moore nomm maxm K H rms K max T Termico Meccanico Dimensionameno del converiore I I nom nom K rms c c K K max exra se se max max > K K exra exra Prof. Albero Tonielli - DEIS Universià di Bologna Azionameni Elerici 5-44 rms rms K c = cosane di coppia del moore (Nm/a) La procedura è di solio ieraiva perché nel calcolo delle coppie enra anche l'inerzia del moore, che non è noa prima di averlo dimensionao l'exracorrene la fornisce il converiore va dimensionao sulla coppia massima

45 Azionameni Elerici Scela e dimensionameno dell'azionameno FINE Prof. Albero Tonielli, Ing. Andrea Tilli DEIS - Universià di Bologna ailli@deis.unibo.i