Università degli studi di Genova

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Graziana Bertini
7 anni fa
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1 1 Introduzione Lo sviluppo tecnologico degli ultimi anni ha portato il mondo degli azionamenti elettrici ad una evoluzione dal ritmo molto elevato. La comparsa di nuovi motori elettrici e l introduzione di sistemi di conversione elettronica dell energia più piccoli, leggeri, economici e dalle prestazioni molto più elevate ha portato ad un incremento molto sensibile delle prestazioni complessive dei sistemi e ad un abbassamento notevole dei costi. Questo ha condotto ad una maggiore diffusione degli azionamenti elettrici anche in campi dove era precedentemente impossibile pensare ad un loro utilizzo, come ad esempio l auto elettrica, i cui progetti commercializzabili datano non più di una decina d anni. Tutto ciò ha però portato ad un impennata nella complessità dei sistemi di controllo. Anche in questo campo, infatti, la ricerca ha puntato molto al fine di incrementare le prestazioni degli azionamenti e si sono avute implementazioni di algoritmi di controllo molto più sensibili e prestanti, in grado di assicurare uno sfruttamento ottimale dei componenti e di migliorare notevolmente le caratteristiche della coppia erogata dal motore e della corrente assorbita. Con un aumento della complessità computazionale notevole. Di qui l introduzione di sistemi di controllo a microprocessore o DSP in grado di assicurare la necessaria potenza di calcolo a fronte di costi resi abbordabili dal continuo e rapido sviluppo tecnologico dell Information Technology. Sistemi complessi come possono essere gli azionamenti elettrici attuali hanno poi richiesto strumenti adeguati per la prototipizzazione e l ingegnerizzazione rapida al fine di avere un time to market il più basso possibile e la massima semplicità nell introduzione e test dei nuovi componenti che si presentano in rapida successione. Pagina 3

2 Nei seguenti capitoli sarà effettuata una rapida presentazione delle tipologie classiche di azionamenti elettrici e dei metodi di prototipizzazione, per poi analizzare nel dettaglio la soluzione innovativa di prototipizzazione veloce proposta con la descrizione della struttura hardware/software e dei test effettuati in laboratorio per la dimostrazione dell efficienza della metodologia presentata. Pagina 4

3 2 Azionamenti elettrici e metodi classici di prototipizzazione 2.1 Descrizione degli azionamenti elettrici classici Il termine azionamento elettrico definisce l insieme di tutti i componenti elettromeccanici in grado di attuare una trasformazione fra energia elettrica ed energia meccanica in modo controllato. In particolare i componenti essenziali sono costituiti dal motore elettrico, dal sistema elettronico di conversione dell energia elettrica e dal sistema di controllo, coadiuvato dal sistema di sensori per le misure dell insieme di grandezze elettromeccaniche necessarie. Figura 1 - Schema di concetto per un generico azionamento elettrico La famiglia degli azionamenti elettrici ingloba una varietà molto vasta di sistemi con funzionalità diverse. In questa nomenclatura ricadono dai piccoli motori DC con alimentazione a chopper da sorgente continua fino ai grossi motori sincroni alimentati da ponti raddrizzatori Pagina 5

4 attivi seguiti da inverter. E però possibile identificare molti punti di contatto per tutti gli azionamenti elettrici per quanto riguarda il sistema di controllo. Spesso infatti la funzione di controllo è demandata ad un architettura custom a microprocessore, per i sistemi più complessi e costosi, o ad una scheda di controllo analogico, per i sistemi a costi e prestazioni inferiori. Gli algoritmo di controllo utilizzati fanno poi un uso molto intensivo del sistema di sensoristica; le informazioni sulle grandezze elettriche di alimentazione del motore e sulla velocità di rotazione del rotore sono utilizzate in tutti i sistemi di controllo, spesso coadiuvate da misure della posizione del rotore (specialmente per i motori sincroni), da misure dirette o indirette dei flussi magnetici all interno delle macchine ed altre misure. Le prestazioni dei sistemi elettrici sono cresciute esponenzialmente negli anni grazie all evoluzione tecnologica di tutti i componenti. I motori elettrici moderni riescono a coniugare dimensioni ridotte e bassi pesi con potenze elevate ed ottimi rendimenti presentando quindi una densità di energia al chilogrammo molto superiori agli equivalenti motori a combustione interna (MCI). Rispetto a questi ultimi, i motori elettrici presentano poi altre caratteristiche positive come rendimenti molto superiori ed una curva di coppia molto più flessibile, ad esempio molto più adatta agli utilizzi di trazione, soprattutto per la caratteristica di essere autoavvianti. Rendimento tipico Motori a combustione interna Motori elettrici % % Tabella 1 - Tabella di confronto del rendimento dei motori elettrici e MCI per varie taglie di potenza Pagina 6

5 Figura 2 - Grafico di coppia motore elettrico asincrono gabbia L avvento dei sistemi elettronici di potenza per la conversione statica dell energia elettrica ha ulteriormente incrementato il gap prestazionale fra le due tipologie di motori rendendo i motori elettrici ulteriormente più flessibili alle esigenze dell applicazione. Si può portare come esempio la curva di coppia di un sistema costituito da un motore asincrono trifase e da un inverter trifase totalcontrollato. Figura 3 - Grafico di coppia motore elettrico asincrono gabbia con inverter Come si può notare dal grafico la curva copre un area quasi rettangolare limitata dai valori di coppia massima e velocità massima Pagina 7

6 potendo assicurare per qualsiasi punto dell area un rendimento sempre molto elevato, con valori tipici che possono aggirarsi intorno al %. L inserimento dei convertitori statici ha poi introdotto un grado di libertà che è stato sfruttato per l implementazione di diversi algoritmi di controllo via via più sofisticati ed in grado di fornire prestazioni sempre migliori in termini di componente continua e contenuto armonico per coppia erogata e corrente assorbita, di differenziali di tensione al motore ridotti (al fine di diminuire le sollecitazioni sullo stesso ed allungarne la vita media), vibrazioni e rumorosità, ecc Alcuni esempi possono essere i primi algoritmi di controllo che inserivano una resistenza in serie al motore per controllarne la velocità (controllo dispersivo e, conseguentemente con perdita di rendimento), la cui curva di caratteristica è mostrata in figura 4, o il controllo scalare a V/f costante, mostrato in figura 5. Figura 4 - Grafico di coppia motore elettrico asincrono gabbia con R serie Figura 5 - Grafico di coppia motore elettrico asincrono gabbia con inverter e V/f cost. Pagina 8

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