a.a. 2016/2017 Stefano Bifaretti Dipartimento di Ingegneria Industriale

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1 a.a. 2016/2017 Stefano Bifaretti Dipartimento di Ingegneria Industriale

2 Si definisce azionamento un sistema capace di controllare il moto di un organo meccanico (carico). Ogni azionamento comprende, quindi, un dispositivo di potenza (motore o attuatore) capace di produrre il lavoro meccanico connesso al moto. L attuatore può essere idraulico, pneumatico o elettrico. 2/48

3 Un sistema oleodinamico con regolazione di potenza utilizza come vettore di energia olio minerale, o sintetico, che in prima approssimazione può essere considerato incomprimibile. E composto da tre componenti fondamentali: la pompa (a portata fissa o variabile), l attuatore (lineare o rotativo) ed il sistema di valvole che regola la portata e, quindi, la trasmissione di potenza per via idrostatica. Il motore elettrico, normalmente di tipo asincrono, viene alimentato da rete funzionando a velocità circa costante. 3/48

4 Gli attuatori oleodinamici sono largamente utilizzati per il posizionamento lineare di carichi elevati anche con un elevato grado di precisione (± 0.01 mm). Vantaggi elevate pressioni ( bar) controllo preciso in posizione e velocità protezione da sovraccarichi mediante valvola di scarico Svantaggi perdite di fluido costo elevato peso e volume elevati 4/48

5 Si definisce azionamento elettrico un azionamento che impiega un attuatore elettrico, ossia una macchina elettrica, solitamente funzionante da motore, nella quale avviene una conversione di energia da elettrica a meccanica. Un azionamento elettrico è, quindi, un apparato che, alimentato da una sorgente di energia elettrica e opportunamente controllato, eroga potenza meccanica con velocità e coppia adeguate alla movimentazione prevista per il carico meccanico. 5/35

6 Fino a non molti anni fa la maggioranza degli azionamenti utilizzava un motore in 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 fine degli anni 60 si era destato un rilevante interesse verso l impiego dei motori in c.a. che presentano minori problemi di manutenzione eun ingombro più contenuto dei motori in c.c. Consentono di ottenere prestazioni dinamiche nettamente più elevate, ma il controllo è molto più complesso. 6/35

7 La tecnologia elettronica, allora disponibile, non consentì un ampia diffusione industriale di tali soluzioni. Infatti i convertitori necessari per l alimentazione dei motori in corrente alternata (inverter realizzati a Tiristori) presentavano, oltre ad un costo eccessivo, un livello di affidabilità e una frequenza di commutazione insufficienti per ottenere prestazioni decisamente superiori a quelle degli azionamenti con motore in c.c. Inoltre i dispositivi elettronici (amplificatori operazionali e circuiti logici integrati in piccola o media scala) impiegati per implementare le leggi di controllo non consentivano di utilizzare tecniche di controllo che richiedessero elaborate manipolazioni di segnali. 7/35

8 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 contenuti, inverter caratterizzati da un elevato grado di affidabilità ed una più elevata frequenza di commutazione. Inoltre lo sviluppo dei microprocessori (in particolare DSP e microcontrollori) ha consentito di impiegare tecniche di controllo molto più sofisticate di quelle tradizionali. 8/35

9 Viene presentata una classificazione degli Azionamenti Elettrici che tiene conto di vari aspetti funzionali quali: il tipo di variabile controllata il tipo di carico il comportamento dinamico dell azionamento. 9/35

10 Schema a blocchi funzionale di un azionamento elettrico Un azionamento elettrico è costituito da: un motore elettrico che fornisce energia al carico; un convertitore statico che alimenta il motore; un dispositivo di comando del convertitore; un dispositivo di controllo dell azionamento. 10/35

11 Molto spesso, specialmente quando il dispositivo di controllo dell azionamento è realizzato impiegando microprocessori, questo contiene anche la parte di segnale del dispositivo di comando del convertitore, che si riduce ad un semplice sistema di adattamento ed amplificazione. 11/35

12 L azionamento è connesso al carico o in maniera diretta oppure, più frequentemente, mediante un riduttore meccanico. Gli azionamenti con accoppiamento diretto sono, a seconda dell applicazione nella quale sono inseriti, indicati come: Direct Drive (robotica), Gearless (ascensori), Motor Spindle o Elettromandrino (macchine utensili). 12/35

13 Il riduttore meccanico è in genere costituito o da una vite senza fine o da una sequenza di ingranaggi o da un sistema di pulegge; altri accoppiamenti, più costosi, impiegano un riduttore epicicloidale ounriduttorearmonico (harmonic drive). Alcuni riduttori presentano un elevato livello di rigidità, altri, invece, sono caratterizzati da un discreto grado di elasticità; un ulteriore elasticità può venire introdotta dalla presenza di un albero di trasmissione. Una marcata elasticità e la presenza di gioghi influenzano le prestazioni dell azionamento poiché introducono un ritardo tra la coppia generata sull albero motore e l attuazione sul carico. 13/48

14 Una prima classificazione degli azionamenti può essere effettuata sulla base delle caratteristiche costruttive e funzionali del motore utilizzato; una seconda, più significativa, prende in considerazione le peculiarità della modalità di controllo impiegata e caratterizza l azionamento sulla base delle prestazioni dinamiche ottenibili. I tradizionali azionamenti con motore in c.c. hanno caratteristiche dinamiche alquanto modeste; di conseguenza le modalità di controllo impiegate sono estremamente semplici ed essenzialmente basate sull impiego di regolatori di tipo P.I. 14/48

15 Il modesto comportamento dinamico degli azionamenti con motore in c.c. ha portato ad effettuare una suddivisione tra i diversi tipi di azionamento prendendo in considerazione essenzialmente le loro caratteristiche di impiego. A tale scopo si è ricorsi ad una suddivisione degli azionamenti in due classi: azionamenti di posizione azionamenti di velocità a seconda del tipo di grandezza meccanica controllata. 15/48

16 v r v v c v a v azionamento di velocità 16/48

17 azionamento di posizione 17/48

18 Gli azionamenti di posizione, il cui esempio tipico è rappresentato dagli azionamenti per assi di macchine utensili o dagli azionamenti per robotica, sono caratterizzati dall esigenza di disporre di una coppia massima praticamente costante in un ampio campo di variazione della velocità. Negli azionamenti di velocità, il cui esempio tipico è rappresentato dagli azionamenti per mandrini di macchine utensili, è, invece, di fondamentale importanza disporre di una zona di funzionamento a potenza massima costante la più estesa possibile. 18/48

19 Oltre che da diverse zone di funzionamento, i due tipi di azionamenti sono caratterizzate da diverse specifiche funzionali. Praticamente tutti gli azionamenti di posizione necessitano di una elevata precisione di regolazione sia statica che dinamica. Gli azionamenti di velocità risultano meno caratterizzati; in alcune applicazioni l azionamento deve solo opporsi a disturbi tendenti a variarne la velocità di rotazione (es. mandrino di un tornio tradizionale o laminatoio non reversibile), in altre (es. mandrino di una moderna macchina utensile a controllo numerico oppure laminatoio reversibile), invece, risulta importante anche il comportamento dinamico. 19/48

20 Negli azionamenti che richiedono prestazioni dinamiche più elevate di quelli tradizionali, per sfruttare appieno le prestazioni fornibili dall azionamento non è sufficiente effettuare una suddivisione così semplicistica delle esigenze operative ma risulta necessario effettuare un analisi più dettagliata del comportamento del carico. Il comportamento del carico meccanico è praticamente sempre di tipo non lineare, basti pensare all attrito di primo distacco e all insorgere di movimenti d aria che producono coppie resistenti di valore dipendente dal quadrato della velocità. Spesso, però, si effettua una implicita o esplicita linearizzazione attornoadun punto di lavoro in modo da impiegare un modello del carico di tipo lineare. 20/48

21 Il più generale modello lineare del carico può venire ricavato eguagliando la coppia motrice c m alla somma di tre termini: un termine c c (coppia di carico) indipendente dalla velocità; un termine F proporzionale alla velocità di rotazione del motore secondo un coefficiente di attrito F, pari alla somma del coefficiente di attrito del motore e di quello del carico; un termine J d /dt proporzionale alla derivata della velocità di rotazione del motore secondo un momento di inerzia J, pari alla somma del momento di inerzia del motore e di quello del carico. 21/48

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24 Come per il tipo di azionamento, anche per caratterizzare il tipo di carico si può effettuare una suddivisione in due grandi classi: carico dissipativo e carico inerziale. Si identificano con la dizione carico di tipo dissipativo quelle applicazioni nelle quali una parte preponderante dell energia fornita dall attuatore (motore) viene impiegata nella lavorazione oppure dissipata per compensare l effetto degli attriti; viceversa si è in presenza di un carico di tipo inerziale quando quasi tutta l energia fornita dall attuatore è utilizzata per accelerare e decelerare il carico. 24/48

25 Applicazioni quali la tornitura, la fresatura, la trazione ferroviaria pesante, la ventilazione, la mescolatura e il sollevamento sono esempi tipici di carico di tipo dissipativo, mentre sono caratterizzati da un carico di tipo inerziale gli azionamenti per robotica, i meccanismi di posizionamento e la trazione metropolitana. Quando il carico è di tipo dissipativo è, in genere, possibile trascurare la dipendenza dell inerzia dal punto di lavoro; la conoscenza di tale dipendenza risulta, invece, essenziale in presenza di un carico di tipo inerziale. 25/48

26 Una ulteriore caratterizzazione delle varie applicazioni può venire effettuata sulla base del comportamento dinamico richiesto per l azionamento e delle conseguenti interazioni tra il comportamento dell attuatore e quello del carico. Tale aspetto può venire evidenziato ricorrendo ad una suddivisione in quattro classi: dinamica molto lenta; dinamica lenta; dinamica rapida; dinamica molto rapida. 26/48

27 L espressione a dinamica molto lenta viene utilizzata per caratterizzare un azionamento nel quale la dinamica del sistema meccanico è di gran lunga più lenta di quella dei circuiti elettromagnetici del motore. In questi azionamenti, pertanto, l evoluzione meccanica risulta praticamente indipendente da quella dei circuiti elettromagnetici e può venire determinata sulla base di una modellizzazione semistazionaria del motore. 27/48

28 Anche negli azionamenti a dinamica lenta la dinamica dei circuiti elettromagnetici del motore risulta alquanto più rapida di quella del sistema meccanico, e influisce in maniera non particolarmente rilevante, sul comportamento complessivo del sistema meccanico. Negli azionamenti a dinamica rapida la dinamica dei circuiti elettromagnetici influisce in maniera determinante, sul comportamento del sistema meccanico; in quelli a dinamica molto rapida, infine, le dinamiche dei due sistemi (elettrico e meccanico) sono comparabili. 28/48

29 In generale un azionamentodivelocitàècaratterizzatodaun carico di tipo dissipativo e da una dinamica molto lenta o lenta, mentre un azionamento di posizione è caratterizzato da un carico di tipo inerziale e da una dinamica rapida o molto rapida. Esistono, comunque diverse eccezioni; ad es. mentre un azionamento per trazione ferroviaria pesante ha una dinamica molto lenta ed un carico dissipativo, un azionamento per trazione metropolitana (anch esso un azionamento di velocità), presenta una dinamica rapida ed ha un carico prettamente inerziale. 29/48

30 La classificazione sulla base del tipo di dinamica consente di introdurre maggiori o minori semplificazioni nella modellizzazione del motore, della sua modalità di controllo e del carico. Infatti risulta evidente che in un azionamento a dinamica molto lenta il comportamento del motore può venire descritto mediante un modello semistazionario (cioè ricavato prendendo in considerazione solo il funzionamento a regime permanente) e quello del carico può venire ricondotto allo schema già esaminato con parametri (coefficienti di attrito e inerzia) lentamente variabili. 30/48

31 Viceversa se è prevista una dinamica lenta occorre introdurre nel modello del motore almeno una costante di tempo. L impiego di un modello del motore caratterizzato da una sola costante di tempo può risultare accettabile anche in azionamenti caratterizzati da una dinamica rapida. Per tali azionamenti, però, affinché questo modello possa fornire risultati attendibili è necessario impiegare metodologie di controllo del motore alquanto più complesse di quelle impiegate negli azionamenti a dinamica molto lenta o lenta. 31/48

32 Negli azionamenti a dinamica molto rapida, gli elevati valori delle accelerazioni fanno risaltare alcuni fenomeni del comportamento dinamico sia del carico sia della struttura meccanica di supporto (attrito di primo distacco, attrito secco, presenza di isteresi e non linearità nella trasmissione del moto dal motore al carico, scarsa rigidità degli accoppiamenti ecc.); è necessario considerare un modello più complesso del carico ed impiegare modalità di controllo dell azionamento più sofisticate, spesso basate sulla stima in linea di alcuni parametri meccanici. 32/48

33 Una ulteriore suddivisione può venire effettuata sulla base del significato fisico attribuibile al segnale fornito dal regolatore di velocità. Si parlerà, infatti, di comando del motore in velocità, quando la velocità del motore risulta circa proporzionale al segnale fornito dal regolatore di velocità mentre si parlerà di comando in coppia quando è la coppia motrice fornita dal motore ad essere circa proporzionale al segnale di uscita dal regolatore. 33/48

34 v r v v c v a v Se v c circa proporzionale alla velocità Se v c circa proporzionale alla coppia comando in velocità comando in coppia 34/48

35 Normalmente tipo di variabile controllata tipo di carico tipo di dinamica velocità dissipativo molto lenta lenta posizione inerziale rapida molto rapida tipo di comando in velocità in coppia

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37 I motori elettrici possono venire suddivisi in quattro grandi famiglie: 37/48

38 I motori a collettore sono caratterizzati dalla presenza del sistema collettore-spazzole, che svolge le funzioni di un convertitore di frequenza (convertitore alternata-continua) 38/48

39 Nei motori con avvolgimento di eccitazione il campo magnetico di eccitazione è prodotto da un avvolgimento (avvolgimento di eccitazione), posto sullo statore della macchina, che può venire alimentato (con collegamento in serie, in parallelo o composito) dallo stesso convertitore che alimenta l avvolgimento collegato al collettore (avvolgimento di armatura) oppure da un apposito convertitore (motore ad eccitazione indipendente); nei motori a magneti permanenti, invece, il campo magnetico è prodotto da magneti permanenti inseriti nella struttura dello statore. Motore in corrente continua 39/48

40 I motori universali sono dei particolari motori a collettore, caratterizzati da un avvolgimento eccitazione posto in serie all avvolgimento di armatura, che possono venire alimentati sia in corrente continua che in corrente alternata; il loro impiego è praticamente limitato a piccoli elettrodomestici o utensili motorizzati. 40/48

41 I motori sincroni sono alimentati con una tensione alternatatrifaseepresentanolaproprietàdiruotare ad una velocità rigidamente legata alla frequenza della tensione di alimentazione. Come nei motori in corrente continua, anche nei motori sincroni il flusso può essere prodotto da un avvolgimento di eccitazione o da magneti permanenti. Motore sincrono 41/48

42 Negli azionamenti di piccola potenza (fino a qualche decina di kw) vengono essenzialmente impiegati motori a magneti permanenti, mentre quelli con avvolgimento di eccitazione trovano impiego solo in applicazioni di elevata potenza (dell ordine dei MW). Negli azionamenti di piccola potenza, infine, oltre ai motori caratterizzati dalla usuale distribuzione spaziale dell induzione di tipo sinusoidale (motori sincroni sinusoidali) vengono anche impiegati motori sincroni nei quali la distribuzione spaziale dell induzione è di tipo trapezoidale (motori sincroni trapezoidali). 42/48

43 I motori a riluttanza sono caratterizzati da uno statore con un numero di denti diverso da quello dei denti rotorici (motore a passo e motore commutato a riluttanza) oppure da un circuito magnetico fortemente anisotropo (motore sincrono a riluttanza e motore a isteresi). I motori sincroni a riluttanza e i motori commutati a riluttanza, pur presentando peculiarità interessanti, non trovano un impiego consistente a causa delle difficoltà costruttive del motore o di difficoltà di controllo del convertitore. I motori a passo, invece, trovano largo impiego negli azionamenti di piccola potenza nelle applicazioni consumer (es. driver per CD e per dischi fissi) o in applicazioni industriali. 43/48

44 I motori asincroni, detti anche motori ad induzione, sono alimentati con una tensione, o una corrente, alternata ma, a differenza dei motori sincroni, la loro velocità di rotazione dipende, oltre che dalla frequenza della tensione di alimentazione, anche dalla coppia resistente del carico. Motore asincrono trifase 44/48

45 Il circuito elettrico di statore è costituito da un avvolgimento, monofase o trifase, che, nel caso trifase, risulta identico a quello di un motore sincrono a distribuzione spaziale sinusoidale. Il circuito di rotore può essere realizzato mediante un avvolgimento trifase o un circuito (detto a gabbia di scoiattolo) costituito da barre conduttrici trasversali cortocircuitate tra loro mediante appositi anelli. I motori con statore monofase sono in genere di piccola potenza; le loro limitate possibilità di controllo li rendono difficilmente impiegabili in azionamenti a velocità variabile dove, invece, trovano largo impiego i motori asincroni con alimentazione trifase e, in particolare, quelli con rotore a gabbia. 45/48

46 I normali motori asincroni a gabbia presenti sul mercato sono realizzati per una alimentazione diretta dalla rete di distribuzione; pertanto, la loro progettazione viene effettuata in modo da limitare la corrente ed aumentare la coppia durante l avviamento da rete (motori a doppia e tripla gabbia o a gabbia profonda). Negli azionamenti a velocità variabile la condizione precedentemente menzionata non si verifica mai; è pertanto conveniente, specialmente quando si desiderano elevate prestazioni dinamiche e/o elevate velocità massime, ricorrere a motori appositamente progettati (motori asincroni per inverter). 46/48

47 Si può, infine, osservare che nei motori a magneti permanenti lo scopo dei magneti è quello di generare, all interno della macchina, un campo magnetico (campo magnetico impresso) che, interagendo con le correnti che circolano nell avvolgimento di armatura, nel motore in c.c., o nell avvolgimento di statore, nel motore sincrono, produce la coppia motrice; la stessa funzione viene svolta, nei motori in c.c. ad eccitazione indipendente o nei motori sincroni con avvolgimento di eccitazione, dall avvolgimento di eccitazione. Viceversa il motore asincrono presenta un unico avvolgimento alimentato (avvolgimento di statore) che serve a produrre sia il campo magnetico sia la coppia motrice. 47/48

48 Nel seguito verrà effettuata una trattazione dei diversi tipi di azionamenti, prendendo in considerazione solo quelli che presentano il maggior interesse industriale e, in particolare, quelli che impiegano un: motore in corrente continua ad eccitazione indipendente; motore in c.c. a magneti permanenti; motore sincrono sinusoidale a magneti permanenti; motore sincrono trapezoidale a magneti permanenti; motore asincrono trifase a gabbia. 48/48