E l e t t r o n i c a industriale I

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3 Armando Bellini E l e t t r o n i c a industriale I PARTE PRIMA Introduzione agli azionamenti elettrici e azionamenti con motore in corrente continua

4 Copyright MMIV ARACNE editrice S.r.l. editrice.it editrice.it via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma redazione: (06) telefax amministrazione: (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: ottobre 2004 I ristampa: ottobre 2009

5 Indice Elenco delle gure v Introduzione 1 1 Classicazione degli Azionamenti Elettrici Caratterizzazione del carico meccanico Classicazione sulla base del comportamento dinamico 11 2 Motori Elettrici Motori a collettore Motori sincroni Motori a riluttanza Motori asincroni 19 3 Il motore in Corrente Continua Struttura della macchina in corrente continua Modello dinamico della macchina in corrente continua 34 i

6 ii Indice 3.3 Caratteristiche statiche del motore in corrente continua 40 4 Azionamenti con motore in c.c Azionamenti con motore ad eccitazione indipendente Controllo della velocità mediante variazione della tensione di armatura Controllo della velocità nel funzionamento a potenza costante Azionamenti con motore in c.c. a magneti permanenti Convertitori impiegati per l'alimentazione del motore Trasferimento di energia Funzionamento come amplicatore Convertitore applicato al circuito di eccitazione Convertitore applicato al circuito di armatura Azionamenti reversibili 83 5 Cenni sugli azionamenti con motore in c.a Azionamenti con motore sincrono a magneti permanenti Struttura del motore sincrono a magneti permanenti 89

7 Indice iii Introduzione al concetto di vettore rotante Funzionamento a regime permanente della macchina sincrona a magneti permanenti Modalità di controllo della macchina sincrona a magneti permanenti Azionamenti con motore sincrono trapezoidale a magneti permanenti Azionamenti con motore asincrono a gabbia Funzionamento a regime permanente della macchina asincrona trifase Modalità di controllo della macchina asincrona Azionamenti di velocità e di posizione Sintesi del regolatore di velocità Azionamenti di posizione Controllo di posizione con traiettoria predenita Trasduttori di velocità e posizione Dinamo tachimetrica in corrente continua Resolver elettromagnetico Encoder incrementale Encoder assoluto 146

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9 Elenco delle gure 1.1 Struttura di un azionamento elettrico Modello linearizzato del carico Principali tipi di motori elettrici Spaccato di un motore in c.c Struttura semplicata della macchina in c.c. (Anello di Pacinotti) Curva di magnetizzazione Flusso concatenato con una spira Denizione dell'angolo θ Andamento della f.e.m. in funzione di θ Aggiunta di un collettore all'anello di Pacinotti Struttura del rotore della macchina in c.c Lamierini rotorici e conduttori della macchina in c.c Generazione della coppia elettromagnetica Modello dinamico del motore in c.c Caratteristica statica del motore in c.c. 41 v

10 vi Elenco delle gure 3.13 Caratteristiche statiche al variare della tensione di armatura Tratti di caratteristica eettivamente utilizzabili Caratteristiche statiche al variare della tensione di eccitazione Tratti di caratteristica eettivamente utilizzabili Area di funzionamento generalmente richiesta Caratteristiche statiche ottenibili Azionamento a catena aperta Azionamento a catena chiusa Schema a blocchi del motore in c.c. con eccitazione costante Schema a blocchi funzionale dell'azionamento con controllo sull'armatura Schema a blocchi strutturale dell'azionamento con anello di corrente Schema a blocchi funzionale dell'azionamento con anello di corrente Schema a blocchi funzionale dell'anello di corrente Compensazione dell'eetto della f.c.e.m Schema a blocchi semplicato dell'anello di velocità Schema a blocchi strutturale dell'azionamento con controllo sull'eccitazione Modello linearizzato del motore con tensione di armatura costante Semplicazione del modello linearizzato. 64

11 Elenco delle gure vii 4.15 Schema a blocchi strutturale dell'azionamento con variazione della tensione di eccitazione Schema a blocchi funzionale dell'azionamento con variazione della tensione di eccitazione Schema a blocchi strutturale dell'azionamento Schema a blocchi linearizzato dell'azionamento Semplicazione dello schema a blocchi linearizzato Schema a blocchi strutturale dell'azionamento Coppia massima in servizio intermittente e continuativo Azionamento con motore in c.c Classicazione dei convertitori a seconda del trasferimento di energia Classicazione dei convertitori a seconda del trasferimento di energia Linearizzazione della caratteristica statica Alimentazione dei circuiti di eccitazione e di armatura Azionamento reversibile con convertitore a quattro quadranti Struttura della macchina sincrona a magneti permanenti Avvolgimento trifase Rappresentazione con assi ortogonali Modello semplicato della macchina sincrona Circuito statorico equivalente Circuito rotorico equivalente a rotore fermo. 103

12 viii Elenco delle gure 5.7 Circuito monofase equivalente a rotore fermo Circuito monofase equivalente a rotore fermo Circuito monofase equivalente a rotore fermo Circuito monofase equivalente del motore asincrono Circuito monofase equivalente con due resistenze sul rotore Andamento della coppia motrice in funzione della velocità Caratteristica statica di un motore a doppia gabbia Schema funzionale semplicato di un azionamento di velocità Diagramma di Bode della funzione di trasferimento a ciclo aperto (τ iω <τ c ) Diagramma di Bode della funzione di trasferimento a ciclo aperto (τ iω >τ c ) Controllo di posizione con traiettoria non predenita Diagramma di Bode della funzione di trasferimento a ciclo aperto (τ i <τ c ) Diagramma di Bode della funzione di trasferimento a ciclo aperto (τ i >τ c ) Controllo di posizione con reazione tachimetrica Schema equivalente della reazione tachimetrica Controllo di posizione con traiettoria non predenita Controllo di posizione con traiettoria predenita. 126

13 Elenco delle gure ix 6.11 Controllo di posizione con errore di inseguimento ltrato Tensione fornita da una dinamo tachimetrica Schema elettrico del resolver Schema a blocchi del sistema di acquisizione dei segnali del resolver Segnali di alimentazione v r, di uscita dal resolver v l1, di comando SH e di uscita dal S/H v c Struttura di un encoder incrementale Disco ottico di un encoder incrementale Segnali forniti da un encoder incrementale Maschera con codica naturale di un encoder assoluto Maschera con codica Gray di un encoder assoluto. 148

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15 Introduzione Il corso di Elettronica Industriale, impartito presso la Facoltà di Ingegneria dell'università di Roma Tor Vergata, ha subito profonde trasformazioni in seguito alla Riforma Universitaria e all'introduzione dei Crediti Formativi. In particolare con l'avvento del tre più due il corso è stato suddiviso in due moduli da 5 crediti ciascuno: Elettronica Industriale 1 e Elettronica Industriale 2. Il primo modulo era rivolto agli Studenti del terzo anno di Ingegneria Elettronica e di Ingegneria dell'automazione. Viceversa il modulo di Elettronica Industriale 2 era seguito, al secondo anno della Laurea Specialistica, dagli Studenti di Ingegneria dell'automazione e da alcuni Studenti di Ingegneria Elettronica. Attualmente i due moduli sono stati nuovamente raggruppati in un unico corso da 10 crediti, seguito al primo o al secondo anno della Laurea Magistrale. Ulteriori aggiustamenti sono attesi nei prossimi anni, a causa di una diversa suddivisione dei crediti assegnati ai vari corsi. Gli attuali testi di Elettronica Industriale sono legati alla suddivisione del corso in due moduli; in particolare il presente testo contiene una parte degli argomenti trattati nel modulo di Elettronica Industriale 1 ; la restante parte del modulo fa riferimento al testo Elettronica Industriale 1 - parte seconda, Controllori Logici 1

16 2 Introduzione Programmabili di A. Bellini e S. Bifaretti. Lo sviluppo che l'elettronica di segnale e l'elettronica di potenza hanno registrato in questi ultimi anni ha destato un crescente interesse nella realizzazione di dispositivi innovativi per il controllo della velocità e della posizione degli azionamenti elettrici. Fino a non molti anni fa, infatti, la stragrande maggioranza di questi azionamenti era costituita da un motore in corrente continua (a magneti permanenti o con avvolgimento di eccitazione indipendente) alimentato da uno o due convertitori corrente alternata - corrente continua; tale scelta era, essenzialmente, dovuta alla maggiore facilità connessa alla alimentazione controllata di un avvolgimento in c.c. rispetto a quella di un avvolgimento in c.a. Già alla ne degli anni 60, l'avvento dei tiristori veloci aveva destato un rilevante interesse, specie nell'ambiente accademico, verso l'impiego dei motori in c.a. che, rispetto ai motori in c.c., presentano minori problemi di manutenzione e un ingombro più contenuto e consentono, se opportunamente controllati, di ottenere prestazioni dinamiche nettamente più elevate. La tecnologia elettronica, allora disponibile, non era però tale da consentire un'ampia diusione industriale di tali soluzioni. Infatti i convertitori statici (inverter ) necessari per l'alimentazione dei motori in corrente alternata presentavano, oltre ad un costo eccessivo, un livello di adabilità ed una frequenza massima di commutazione insucienti per permettere di ottenere prestazioni decisamente superiori a quelle degli azionamenti con motore in c.c. Inoltre i dispositivi (amplicatori operazionali e circuiti logici integrati in piccola o media scala) impiegati per implementare le leggi di controllo non consentivano di utilizzare, nelle applicazioni industriali, tecniche di controllo che

17 Introduzione 3 richiedessero elaborate manipolazioni di segnali. Le prospettive sono profondamente mutate durante la seconda metà degli anni '80; infatti, lo sviluppo di nuovi semiconduttori di potenza (in particolare MOSFET e IGBT) ha permesso di realizzare, con costi decisamente competitivi, inverter caratterizzati da un elevato grado di adabilità ed una frequenza di commutazione di almeno un ordine di grandezza maggiore di quella ottenibile nel decennio precedente. Inoltre lo sviluppo dei microprocessori (ed in particolare modo quello dei Microcontrollori e dei Digital Signal Processors) ha consentito di impiegare tecniche di controllo molto più sosticate di quelle tradizionali. Di conseguenza si è ridestato l'interesse verso gli azionamenti con motore in corrente alternata. Tale interesse, che nella seconda metà degli anni '80 era limitato ai settori applicativi che richiedevano elevate prestazioni dinamiche (esempio tipico robotica e macchine utensili), si è, negli ultimi anni, esteso anche a settori nei quali, più che le prestazioni dinamiche, risultano importanti l'adabilità e la qualità del moto (esempio tipico ascensori e sistemi di movimentazione). Occorre osservare che in molti settori applicativi, in particolare modo nei sistemi di movimentazione automatica, la scelta degli azionamenti inuisce sulle prestazioni dell'intero sistema meccanico. Tale inuenza, già sensibile quando l'azionamento è destinato ad un'apparecchiatura per la quale sia stata già denita la struttura meccanica, diventa ancora più decisiva quando, come ad esempio nelle macchine utensili a controllo numerico o nella robotica, la struttura meccanica viene progettata in funzione delle prestazioni ottenibili dagli azionamenti impiegati. Questa parte del corso si pregge di fornire una panoramica

18 4 Introduzione sulle caratteristiche dei vari tipi di azionamenti, orientata a semplicare il problema della scelta di quello più conveniente per la particolare applicazione. A tale scopo, viene d'apprima presentata una classicazione degli Azionamenti Elettrici che tiene conto di vari aspetti funzionali quali il tipo di carico, il comportamento dinamico, il tipo di variabile controllata. Successivamente, dopo una breve presentazione dei vari motori elettrici impiegati negli azionamenti industriali, viene eettuata una trattazione dettagliata degli azionamenti con motore in corrente continua, riservando solo alcuni cenni agli azionamenti con motori in corrente alternata, la cui trattazione risulta alquanto più complessa. Una breve descrizione dei trasduttori impiegati negli azionamenti per la misura della velocità e della posizione conclude questa parte del corso.