GLI AZIONAMENTI ELETTRICI

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1 Capitolo 3 GLI AZIONAMENTI ELETTRICI 1.1 Definizioni e struttura di un azionamento elettrico Se nella conversione elettromeccanica dell'energia si desidera ottenere un'energia meccanica pregiata con coppia e velocità controllabili si devono utilizzare gli azionamenti elettrici, cioè dei sistemi comprendenti, oltre al motore elettrico, un sistema di conversione statica dell'energia elettrica, dei sensori e un sistema di controllo. La loro attuale notevolissima importanza deriva dal fatto che consentono di ottenere prestazioni altrimenti impossibili e di conseguire a livello industriale vantaggi in termini di produttività, precisione di lavorazione e contenimento dei consumi energetici. Si definisce azionamento elettrico un insieme di apparati che, interagendo fra loro, consentono l erogazione di una determinata potenza meccanica caratterizzata da valori di coppia e velocità pilotabili mediante segnali di comando esterni e la cui sorgente energetica è costituita da lavoro elettrico assorbito dalla rete alla quale essi sono connessi. I campi di applicazione degli azionamenti elettrici sono svariati e caratterizzati da diverse esigenze di servizio; per farsene un idea, seppur sommaria, è sufficiente osservare i dati riportati nella Tab.1.1; è necessario osservare che, grazie ai notevoli progressi che i componenti elettronici di potenza, cuore del controllo, hanno avuto negli ultimi decenni, le modalità di implementazione di un azionamento elettrico sono sensibilmente migliorate rispetto a quanto accadeva in passato, sia dal punto di vista della finezza del controllo che da quello dei livelli di potenza gestibili senza particolari problemi. Applicazione industriale Valori tipici di potenza (kw) Azionamento assi per macchine utensili 0,5 5 Azionamento mandrino per macchine utensili Laminatoi e linee di trattamento siderurgiche Macchine operatrici per la lavorazione di svariati materiali (plastiche, legno, cemento, vetro, ecc.) Manipolatori di materiali, come sollevatori, ascensori, gru, nastri trasportatori,ecc Movimentazione di fluidi (pompe, ventilatori,ecc.) Servomeccanismi in genere (robot, puntamento di armi e radar, ecc.) 0,5 100 Veicoli a trazione elettrica Tab.1.1 L azionamento nel suo complesso presenta la struttura generica rappresentata in Fig.1.1; in essa è possibile riconoscere le seguenti componenti: Intelligenza locale: è il dispositivo che, attraverso un convertitore elettronico di potenza, controlla l attuatore in base ai segnali forniti dalla porta MMI; 38

2 Convertitore di potenza: è il dispositivo elettronico che interviene sulla potenza elettrica fornita all azionamento al fine di renderla utilizzabile per l attuatore, sia dal punto di vista quantitativo (valori corretti di tensione e corrente) che da quello del controllo; Attuatore: è il motore elettrico controllato mediante l azionamento; Porta elettrica: costituisce l interfaccia fra l azionamento e la rete elettrica di alimentazione; è importante rilevare che per l azionamento sono da prevedersi tutti i tipi di funzionamento richiesti dalle Norme, dunque tale porta deve essere dimensionata di conseguenza e deve comprendere anche i dispositivi atti alla protezione dell azionamento (protezioni vere e propie ma anche, ad esempio, filtri per armoniche, ecc.); Porta meccanica: costituisce l interfaccia fra l azionamento ed il carico meccanico per cui è stato progettato; Porta della comunicazione (o MMI, Man Machine Interface ): costituisce l interfaccia fra i supervisori del processo e l azionamento e deve permettere passaggio di informazioni nei due sensi (misure, segnali d allarme; comandi non previsti in modo automatico); Porta ambientale: costituisce l interfaccia fra l azionamento e l ambiente in cui esso si trova; con il termine ambiente si intende l insieme di tutte le condizioni esterne nelle quali lavora l attuatore e tutti i vincoli ai quali esso è sottoposto, come: rumore dovuto alle vibrazioni, inquinamento elettromagnetico, polvere, ecc. Supervisori di processo Segnali Rete elettrica V, I Porta ambientale Intelligenza locale Porta MMI Convertitore di potenza Porta elettrica Attuatore Carico C, Ω Porta meccanica Fig.1.1: Struttura fondamentale di un azionamento elettrico 39

3 1.2 Il carico meccanico Ovviamente tutti i componenti devono essere correttamente dimensionati rispetto alle esigenze del carico; di quest ultimo è necessario conoscere: Potenza meccanica richiesta (in W); Velocità angolare di funzionamento (Ω, in rad/s o giri/minuto); Caratteristica meccanica, ossia legame fra coppia (C, in Nm) e velocità angolare; Esigenze di reversibilità, cioè su quali quadranti della caratteristica meccanica funziona il carico; Ciclo di carico, ossia andamento temporale della coppia richiesta Prestazioni statiche richieste (precisione, errori statici, ecc.); Prestazioni dinamiche richieste (velocità di risposta, banda passante, ecc.). Spesso il carico non è caratterizzabile esattamente come appena indicato; ad esempio, nel caso di azionamento di un vettore traslante (tipico dell azionamento assi) è nota la velocità lineare richiesta, che andrà convertita in velocità angolare richiesta; successivamente si sceglierà il motore (attuatore) necessario, eventualmente interponendo un opportuno moltiplicatore/riduttore. 1.3 Caratteristiche del carico, del motore e campo di operatività Come già sottolineato nel paragrafo precedente, è necessario, per la progettazione dell azionamento, essere a conoscenza della caratteristica meccanica del carico e delle sue esigenze di reversibilità. La caratteristica meccanica è, come noto, il diagramma C/Ω (cfr. Fig.1.6); in condizioni di regime è possibile ricavare il punto di lavoro dell azionamento semplicemente come intersezione fra la caratteristica meccanica del carico e quella dell attuatore. In condizioni dinamiche, invece, è necessario tracciare, per l attuatore, il campo di operatività, ossia la zona del piano C/Ω entro cui esso può trovarsi a lavorare: il campo di operatività è l insieme dei possibili punti di lavoro dell attuatore (Fig.1.7). L individuazione del campo di operatività è necessaria in quanto vincolante per ciò che riguarda la regolazione che l azionamento è chiamato a svolgere, sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo; esso viene individuato, solitamente, in condizioni di servizio continuativo, ma è possibile rilevarlo anche per gli altri tipi di servizio previsti dalle Norme. C Motore Carico 2 1 Punto di funzionamento Ω 1: azionamenti unidirezionali 1+4: azionamenti per trazione 1+2: azionamenti per sollevamenti : azionamenti per laminatoi, macchine utensili, ecc. 3 4 Fig.1.6: Caratteristiche meccaniche 40

4 3.1 Tipi di azionamenti Azionamenti con catena aperta. Tale tipo di controllo viene impiegato in quei casi in cui le caratteristiche statiche coppia-velocità del sistema convertitore/motore sono compatibili con quelle del carico ed intrinsecamente stabili; ciò consente la connessione in cascata dei singoli componenti dell azionamento, come indicato in Fig Coppia resistente Coppia d attrito Generatore del riferimento Legge di controllo Convertitore Motore Carico Catena diretta Figura Schema a blocchi di azionamento controllato in catena aperta. Un controllo di questo tipo presenta l indiscutibile vantaggio di non necessitare di trasduttori di misura né altre strumentazioni di misura analoghe che consentano il costante controllo delle grandezze controllate, tipicamente posizione e velocità; la precisione statica, ossia la differenza fra il valore desiderato e quello effettivo a regime, dipende dalla pendenza delle caratteristiche statiche. Le cause di imprecisione sono dovute al fatto che una qualsiasi perturbazione agente sull asse motore modifica la velocità di rotazione, senza nessuna possibilità di correzione; inoltre la precisione ottenibile è limitata dalle incertezze sulla conoscenza delle caratteristiche di coppia, dovute al fatto che i vari parametri in gioco non sono costanti nel tempo Azionamenti con catena chiusa. Essi presentano lo schema a blocchi di Fig. 3.3: sono caratterizzati dal fatto che le grandezze controllate (posizione e/o velocità) sono costantemente monitorate mediante opportuni trasduttori, posti sull anello di retroazione. Si ottiene dunque un segnale proporzionale al valore della grandezza d uscita e dello stesso tipo del segnale in ingresso, in quanto in ingresso alla catena diretta (la stessa di Fig. 3.2) si presenta un segnale dato dalla differenza fra il segnale di riferimento e quello attuale delle variabili controllate, comunemente detto segnale d errore. Controlli di questo tipo presentano comportamenti molto precisi a regime e, solitamente, anche in condizioni dinamiche. 41

5 Generatore del riferimento Catena diretta Trasduttori Figura Schema a blocchi di azionamento controllato in catena chiusa Azionamenti con catena chiusa e catena di azione diretta. Oltre alla catena di retroazione, si prevede in questo caso una catena di azione diretta, avente il compito di correlare il segnale di riferimento con quello in ingresso al convertitore (Fig. 3.4). Tale schema di controllo viene impiegato in quei casi in cui le specifiche sono molto spinte; diviene necessario, in luogo del generatore del segnale di riferimento, prevedere un dispositivo per l elaborazione in tempo reale della legge di moto: in tal modo si realizza un miglior coordinamento fra le grandezze controllate, nel rispetto dei limiti di coppia e velocità del sistema convertitore/motore e della relativa rigidezza meccanica. Qualora, in un azionamento con catena chiusa ed azione diretta, oltre che ottenere buone prestazioni a regime si voglia anche migliorare il rendimento dell'attuatore, è necessario prevedere anche dei controlli di flusso/coppia o coppia/velocità; tale tipo di controllo richiede che le grandezze di comando del convertitore siano tali da realizzare in tempo reale le leggi di moto desiderate. Catena ad azione diretta Coppia resistente Coppia d attrito Generatore del riferimento Legge di controllo Convertitore Motore Carico Trasduttori Figura Schema a blocchi di azionamento controllato in catena chiusa e catena di azione diretta. 42

6 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. Gli azionamenti in corrente alternata, la cui diffusione è iniziata a seguito dei notevoli progressi tecnologici verificatisi nel campo dell elettronica industriale, sono caratterizzati rispetto a quelli in corrente continua da: maggiore robustezza ed economicità del motore; manutenzione praticamente nulla; utilizzabilità in qualsiasi tipo di ambiente; più elevata velocità massima e minore inerzia. Il convertitore e l unità di controllo sono però più complessi e costosi, specie nel caso di azionamenti ad alta dinamica. Gli azionamenti brushless presentano i pregi ma non gli inconvenienti tipici degli azionamenti in corrente continua, connessi alla presenza del commutatore meccanico: essi sono quindi particolarmente adatti per le applicazioni che richiedono elevate prestazioni dinamiche. Gli azionamenti con motori passo-passo rappresentano invece la soluzione ideale quando si desidera ottenere posizionamenti veloci e precisi e le potenze in gioco sono modeste ( 1 KW) In ambito industriale sono impiegati anche: - azionamenti idraulici (la cui sorgente primaria di energia é costituita da una pompa idraulica) caratterizzati da semplice struttura, elevata affidabilità, facilità di controllo di coppia, velocità e posizione ed alti livelli di coppia, ma che comportano perdite d'olio, rumore e problemi alle alte velocità; - azionamenti pneumatici (la cui sorgente primaria di energia é costituita da un serbatoio di aria compressa) caratterizzati da assenza di problemi di inquinamento ambientale e di pericoli di incendio e di esplosione, ma che presentano bassi rendimenti e difficoltà di controllo di velocità e posizione a causa della compressione dell'aria. 43