1.1 Definizione ed elementi di un azionamento elettrico

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1 1 L AZIONAMENTO ELETTRICO COME SISTEMA 1.1 Definizione ed elementi di un azionamento elettrico Si definisce Azionamento Elettrico (A.E.) l insieme composto da un motore elettrico e dagli apparati d alimentazione, comando e controllo, avente come scopo la regolazione della coppia, della velocità o della posizione di un albero di trasmissione. Secondo questa definizione, l A.E. risulta individuato da tre elementi fondamentali: - IL ELETTRICO - IL POTENZA - IL SPOSITIVO CONTROLLO A questi elementi ne va aggiunto un quarto, la cosiddetta - MACCHINA AZIONATA che rappresenta il carico dell azionamento, il quale, pur concettualmente distinto dallo stesso, ne viene a determinare, mediante le proprie caratteristiche meccaniche, tutti gli aspetti essenziali. SORGENTE PRIMARIA SPOSITIVO CONTROLLO POTENZA ELETTRICO MACCHINA AZIONATA AZIONAMENTO ELETTRICO Fig. 1.1 Elementi basilari di un azionamento elettrico 1.2 Motore elettrico Il motore elettrico è l elemento che trasforma con elevato rendimento, l energia elettrica proveniente dal convertitore statico nell energia meccanica necessaria per imprimere il moto alla macchina azionata. A seconda del tipo di moto reso disponibile si individuano: - MOTORI ROTANTI - MOTORI LINEARI I primi, più usuali, rendono disponibile il moto come rotazione attorno ad un asse (asse del rotore del motore); i secondi, invece, producono un movimento in direzione lineare (direzione di spostamento del movente del motore). Cap.1 L'azionamento elettrico come sistema (2001) 28/02/

2 2 Cap. 1 L Azionamento elettrico come sistema Struttura di un motore elettrico Dal punto di vista strutturale il motore elettrico può essere suddiviso in due parti strettamente interagenti tra loro: una parte fissa detta statore, ed una parte mobile detta rotore (nel caso di moto rotatorio) o movente (nel caso di moto lineare). La parte mobile è collegata, o in modo diretto o attraverso organi meccanici di trasmissione, alla macchina azionata. Le parti fissa e mobile di un motore interagiscono tramite il campo elettromagnetico prodotto dalla alimentazione del motore. Quest interazione si traduce in una coppia (coppia elettromagnetica) disponibile all asse del rotore o in una forza (forza elettromagnetica) lungo la direzione del movente, rispettivamente per motori rotanti e lineari. Ai fini del progetto del convertitore statico e del dispositivo di controllo, il motore elettrico può essere rappresentato mediante due blocchi funzionali: ELETTRICO C R PARTE ELETTRO- MAGNETICA C e PARTE MECCANICA ω Fig. 1.2 Parti di un motore elettrico - La parte elettromagnetica, che rappresenta il comportamento degli avvolgimenti di statore e rotore (nel seguito, per comodità, si farà riferimento ai soli motori rotanti, fermo restando che per i motori lineari valgono analoghe considerazioni) della macchina elettrica, cioè la formazione delle correnti, dei campi magnetici e della coppia elettromagnetica, indicata con Ce. - la parte meccanica che rappresenta il comportamento meccanico per quanto attiene alla parte mobile del motore, e comprende l inerzia delle masse rotanti e le coppie resistenti interne alla macchina. La struttura della parte elettromagnetica dipende fortemente dal tipo di motore elettrico. Dal punto di vista funzionale viene rappresentata dai modelli circuitali degli avvolgimenti di statore e rotore, descritti da sistemi di equazioni differenziali (eq. elettriche), e dalla espressione, in funzione delle grandezze elettriche, della coppia elettromagnetica. La struttura della parte meccanica è indipendente dal tipo di motore, e dal punto di vista funzionale è descritta mediante la legge dell equilibrio dinamico (eq. meccanica). In essa interviene, come disturbo esterno, la macchina azionata in termini di coppia resistente indicata con CR.

3 Convertitore statico di potenza 3 Le parte meccanica e quella elettromagnetica interagiscono tra loro in modo diretto mediante la coppia elettromagnetica ed in modo retroattivo mediante la velocità di rotazione ω, che influenza i circuiti elettrici del motore (a livello di tensioni indotte) Motori elettrici impiegati negli azionamenti Negli A.E. vengono impiegati motori elettrici di vario tipo secondo le caratteristiche di moto da imprimere alla macchina azionata e della potenza necessaria. I tipi più diffusi sono: - MOTORI PASSO-PASSO - MOTORI IN CORRENTE CONTINUA (ad eccitazione indipendente) - MOTORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI - MOTORI ASINCRONI a gabbia Vedremo nel seguito come, con l avvento dei dispositivi elettronici di potenza e degli odierni convertitori statici, le caratteristiche di impiego dei principali motori elettrici hanno subito un profondo mutamento. In particolare, per i motori in corrente alternata (sincroni ed asincroni) si usa distinguere tra: - motori alimentati direttamente da rete (alimentazione convenzionale) - motori per azionamenti o servomotori (alimentazione da convertitore statico) Il motore per azionamento, destinato ad effettuare una movimentazione a velocità variabile, presenta in genere delle caratteristiche costruttive diverse dai motori alimentati da rete, destinati a funzionare a velocità circa costante. Nei motori passo-passo, le caratteristiche di funzionamento favoriscono un movimento di tipo incrementale, cioè lo spostamento attraverso posizioni successive di equilibrio distanti di una fissata posizione angolare (il passo ). Sono pertanto preferiti nelle applicazioni di posizionamento. Invece, nei motori in corrente continua (c.c.) ed in corrente alternata (c.a.) il movimento ottenuto è di tipo continuo, sono pertanto utilizzati preferibilmente (ma non esclusivamente) per la realizzazione di azionamenti a moto continuo. 1.3 Convertitore statico di potenza È l elemento che provvede ad alimentare il motore elettrico in modo da produrre le caratteristiche di moto richieste con le prestazioni desiderate. Esso può essere riguardato come l amplificatore di potenza che provvede a modificare, sotto il governo del dispositivo di controllo, le caratteristiche dell energia elettrica proveniente da una sorgente d alimentazione primaria in modo da adattarle all alimentazione del particolare tipo di motore. La sorgente di alimentazione primaria è in genere la rete elettrica in corrente alternata (trifase, per azionamenti di potenza superiore a qualche kw, monofase per potenze inferiori ad 1-2 kw); in casi particolari può trattarsi di una rete elettrica in corrente continua (azionamenti per trazione su rotaia) oppure batterie di accumulatori (trazione su ruote). In ogni caso il flusso d energia (indicato con frecce larghe nelle figura di questo capitolo) fluisce generalmente dalla sorgente, attraverso il convertitore, al motore elettrico e quindi alla

4 4 Cap. 1 L Azionamento elettrico come sistema macchina azionata. In queste circostanze la macchina elettrica funziona da motore (Fig. 1.3-a). In alcune particolari condizioni operative, la macchina elettrica si trova a funzionare da generatore, cioè riceve energia meccanica dalla macchina azionata che si trasforma in energia elettrica disponibile ai morsetti del motore (le macchine elettriche sono reversibili, cioè possono funzionare sia da motore che da generatore ). Per mantenere una buona qualità del moto anche in tali circostanze, il convertitore deve essere realizzato in modo da permettere il flusso dell energia anche nel senso dal motore verso l alimentazione. Tale energia, quando non può essere restituita alla sorgente primaria (funzionamento in recupero, Fig. 1.3-b) deve essere opportunamente dissipata (Fig. 1.3-c). (a) funzionamento da motore SORGENTE PRIMARIA POTENZA ELETTRICO MACCHINA AZIONATA (b) funzionamento da generatore con recupero SORGENTE PRIMARIA POTENZA ELETTRICO MACCHINA AZIONATA (c) funzionamento da generatore con dissipazione SORGENTE PRIMARIA POTENZA ELETTRICO MACCHINA AZIONATA SSIPATORE Fig. 1.3 Flusso d energia in un azionamento elettrico Come si è detto, il convertitore ha lo scopo di modificare ( convertire, appunto) le caratteristiche dell energia disponibile dalla sorgente nella forma più adatta all alimentazione del tipo di motore. Per un azionamento a velocità variabile anche l alimentazione dovrà essere variabile, in particolare: - per un motore in c.c., sarà necessario alimentare con una tensione continua di ampiezza variabile. - per un motore in c.a., sarà necessario alimentare con una tensione alternata variabile in ampiezza ed in frequenza. Questa variazione deve avvenire con poche perdite e con segnali di controllo a basso livello di potenza. Questa esigenza è verificata con i convertitori statici, composti da dispositivi elettronici a semiconduttore di vario tipo, quali: - diodi, tiristori, GTO - transistori di potenza (detti anche a commutazione ) bipolari (BJT) o ad effetto di campo (MOSFET)

5 Convertitore statico di potenza 5 collegati a realizzare strutture di conversione secondo diversi tipi di schemi circuitali Tipologie di convertitori Dal punto di vista funzionale si hanno le seguenti tipologie di convertitori: - Il AC/DC non controllato, noto come raddrizzatore, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza costante a partire dalla rete alternata (di ampiezza e frequenza costante) - Il AC/DC controllato, noto come raddrizzatore controllato, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza variabile (mediante opportuno comando) a partire dalla rete alternata - Il DC/DC, noto come chopper, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza variabile a partire da una sorgente in continua a tensione costante - Il DC/AC, noto come inverter, fornisce in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili a partire da un ingresso in continua di ampiezza - Il AC/AC, noto come convertitore di frequenza, fornisce in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili dalla rete alternata (di ampiezza e frequenza costanti) In genere i convertitori per l alimentazione di motori a velocità variabile sono realizzati impiegando uno o più di tali circuiti, in funzione della sorgente primaria di alimentazione che si ha a disposizione e del tipo di motore che occorre azionare. Il convertitore di frequenza ad esempio, per l alimentazione a velocità variabile di motore in alternata, viene usualmente realizzato ponendo in cascata un raddrizzatore non controllato ed un inverter, quando si alimenti dalla rete in alternata. Vˆ, f costante Vdc costante Raddrizzatore Fig. 1.4 Convertitore AC/DC Vˆ, f costante Vdc variabile Raddrizzatore controllato Fig. 1.5 Convertitore AC/DC controllato 1 Il termine convertitore statico fa riferimento al fatto che, nei moderni convertitori, non sono presenti organi in rotazione. Storicamente, infatti, sono stati utilizzati dei convertitori rotanti, composti da più macchine elettriche, per ottenere l alimentazione alternata a frequenza/ampiezza variabile, soluzioni, oggi, non più utilizzate nella pratica.

6 6 Cap. 1 L Azionamento elettrico come sistema Vdc costante Vdc variabile Chopper Fig. 1.6 Convertitore DC/DC Vdc costante Vˆ, f variabile Inverter Fig. 1.7 Convertitore DC/AC Vˆ, f costante Vˆ, f variabile Convertitore di frequenza Fig. 1.8 Convertitore AC/AC Protezione del convertitore Ogni convertitore statico è provvisto di un opportuno sistema di protezioni, il quale assicura che non accadano condizioni operative tali da danneggiare in modo irreparabile i semiconduttori di potenza. Fra le protezioni, quella di massima corrente riveste un ruolo particolarmente rilevante, in quanto deve disinserire rapidamente l alimentazione quando avvengono gravi disturbi quali corto-circuiti o surriscaldamenti. Nei moderni convertitori la protezione (come anche i sensori che indicano la condizione di guasto) è parte integrante dello stesso, ma concettualmente può essere vista in modo separato, come indicato in Fig SORGENTE POTENZA SPOSITIVO PROTEZIONE SENSORI GUASTO Fig. 1.9 Dispositivi di protezione

7 Dispositivo di controllo 7 Il dispositivo di protezione riceve in ingresso il segnale proveniente dai sensori di guasto (ad esempio relativo alla corrente erogata), ed interviene bloccando il convertitore statico o disinserendo l alimentazione quando il segnale supera il valore di soglia. 1.4 Dispositivo di controllo E l elemento che determina, istante per istante, il valore delle grandezze di comando del convertitore statico in base alla modalità ed alla strategia di controllo adottate per lo specifico azionamento. Per quanto concerne la modalità di controllo occorre distinguere tra controllo in catena aperta e controllo in catena chiusa (o in contro-reazione ) Controllo in catena aperta STURBI y R LEGGE CONTROLLO POTENZA CARICO y SISTEMA CONTROLLATO CATENA RETTA Fig Schema del controllo in catena aperta Tale modalità è caratterizzata dal fatto che la grandezza da controllare y non viene misurata, ma si può ragionevolmente ritenere individuata (in modo univoco) dalla grandezza di riferimento yr. L assenza di una misura della grandezza da controllare non assicura che, a regime, questa eguagli il valore di riferimento: lo scostamento dipende dalla presenza di disturbi che intervengono sul sistema controllato, e precisamente: - la caratteristica di carico (statica e dinamica) della macchina azionata; - le cadute di tensione nel convertitore; - le variazioni parametriche nel sistema controllato. Con lo schema di controllo in catena aperta questi effetti possono essere, se noti, compensati a livello della legge di controllo, ma se si vuole assicurare scostamento nullo bisogna ricorrere al controllo in catena chiusa.

8 8 Cap. 1 L Azionamento elettrico come sistema Controllo in catena chiusa STURBI y R LEGGE CONTROLLO POTENZA CARICO y TRASDUTTORE O SENSORE CATENA CONTROREAZIONE Fig Schema del controllo in catena chiusa In tale modalità la grandezza da controllare è misurata attraverso un opportuno sensore o trasduttore ed è confrontata nel nodo comparatore con la grandezza di riferimento. La loro differenza ( errore o scarto di regolazione) diventa l ingresso del blocco di controllo in catena diretta. Il controllo in catena chiusa è adottato quando con un azionamento in catena aperta non si possono assicurare le prestazioni desiderate nella regolazione, in particolare: - si vuole che l errore a regime sia nullo indipendentemente dalle caratteristiche statiche del sistema controllato, dalle escursioni della coppia resistente e dalle variazioni dei parametri del motore; - si desidera che le prestazioni dinamiche (rapidità nel seguire le variazioni del riferimento con andamento prefissabile) siano ottimali. Pertanto, gli azionamenti di elevate prestazioni sono del tipo a catena chiusa, indicati come servo-azionamenti. Il dispositivo di controllo in senso lato può includere diversi blocchi funzionali (anche in funzione della modalità di controllo adottata): - Un generatore di riferimento, avente il compito di fissare, in ogni istante, il valore delle grandezze di comando dell azionamento, cioè la velocità o la posizione di riferimento (y R) che le parti mobili debbono assicurare via via nel tempo durante il funzionamento (legge di moto). - Una legge di controllo, avente il compito di tradurre il valore di riferimento in grandezza di comando del convertitore statico. Nella determinazione della legge di controllo occorre individuare opportune tecniche, dette strategie di controllo, allo scopo di ottenere le migliori prestazioni dell azionamento in termini di: - funzionamento dinamico (transitori di velocità e di posizione); - funzionamento a regime (rendimento) Nell ambito delle strategie di controllo rientrano tecniche (illustrate nel corso) quali il controllo v/f del motore asincrono, oppure il controllo vettoriale. Pertanto la strategia di controllo è

9 Schema a blocchi di un azionamento 9 fortemente legata al tipo di motore elettrico, di convertitore ed alla modalità (catena aperta o contro-reazione) adottata per il controllo. All interno della modalità di controllo in contro-reazione vengono usati regolatori di vario tipo (standard, di stato) per manipolare l errore generato al nodo comparatore. - Un unita di ingresso/uscita (I/O), ingresso dei segnali provenienti dai trasduttori e dai sensori (necessari nel controllo in contro-reazione) ed uscita per il comando del convertitore. Nei moderni azionamenti il dispositivo di controllo è realizzato mediante microprocessori dedicati al controllo dei motori elettrici, oggi disponibili sul mercato in forma di microcontrollori o processori di segnale digitale (DSP, Digital Signal Processors). µc COMANDO UTENTE GENERATORE RIFERIMENTO yr LEGGE CONTROLLO POTENZA UNITA I/O y Fig Funzioni del dispositivo di controllo 1.5 Schema a blocchi di un azionamento In definitiva, lo schema a blocchi di un azionamento elettrico con controllo in catena chiusa è illustrato nella figura seguente. SORGENTE PRIMARIA SPOSITIVO CONTROLLO POTENZA ELETTRICO MACCHINA AZIONATA SPOSITIVO PROTEZIONE TRASDUTTORI E SENSORI Fig Schema a blocchi di un azionamento elettrico

10 10 Cap. 1 L Azionamento elettrico come sistema Le frecce tratteggiate indicano i fenomeni di contro-reazione tra la macchina azionata ed il motore elettrico (dovuti alla caratteristica statica e dinamica del carico, o al collegamento tramite un albero elastico), la retroazione del motore sul convertitore (cadute di tensione) e di questo sulla sorgente primaria (disturbi elettromagnetici sulla rete elettrica). Il flusso di potenza della sorgente, attraverso il convertitore al motore ed alla macchina azionata è indicato con frecce larghe. I segnali di controllo (bassa potenza) a tratto continuo, quelli di protezione con tratto-punto. Test di apprendimento 1) Fornire una possibile definizione di azionamento elettrico 2) Elencare gli elementi componenti un azionamento elettrico e descriverne le funzioni 3) Collegare in uno schema a blocchi i componenti di un azionamento elettrico descrivendo le interazioni funzionali tra di essi 4) Fornire una possibile definizione di motore elettrico 5) Indicare in uno schema a blocchi le parti funzionali di un motore elettrico e le loro interazioni 6) Quali sono le tipologie di motori maggiormente impiegate negli azionamenti elettrici e come possono essere classificati? 7) Cos è un convertitore statico di potenza? 8) Perché, in un azionamento elettrico, è necessario alimentare attraverso un convertitore statico? 9) Quali sono le sorgenti di energia primaria convenzionali per un azionamento? 10) Descrivere i flussi di energia possibili in un azionamento elettrico. 11) Cosa si intende per funzionamento da generatore con recupero? 12) Cosa si intende per funzionamento da generatore con dissipazione? 13) Spiegare la funzione dei sensori di guasto in un azionamento elettrico 14) Rappresentare lo schema a blocchi del dispositivo di protezione del convertitore statico 15) Elencare e descrivere le caratteristiche fondamentali del controllo in catena aperta 16) Elencare e descrivere le caratteristiche fondamentali del controllo in catena chiusa 17) Cosa si intende per servo-azionamento? 18) Descrivere le funzioni essenziali del dispositivo di controllo ed indicarle in uno schema a blocchi 19) Come è realizzato un moderno dispositivo di controllo? 20) Disegnare e descrivere lo schema a blocchi di un azionamento elettrico con controllo in controreazione

11 Indice del capitolo 11 Indice delle figure e delle tabelle Fig. 1.1 Elementi basilari di un azionamento elettrico... 1 Fig. 1.2 Parti di un motore elettrico... 2 Fig. 1.3 Flusso d energia in un azionamento elettrico... 4 Fig. 1.4 Convertitore AC/DC... 5 Fig. 1.5 Convertitore AC/DC controllato... 5 Fig. 1.6 Convertitore DC/DC... 6 Fig. 1.7 Convertitore DC/AC... 6 Fig. 1.8 Convertitore AC/AC... 6 Fig. 1.9 Dispositivi di protezione... 6 Fig Schema del controllo in catena aperta... 7 Fig Schema del controllo in catena chiusa... 8 Fig Funzioni del dispositivo di controllo... 9 Fig Schema a blocchi di un azionamento elettrico... 9 Indice del capitolo 1 L Azionamento elettrico come sistema Definizione ed elementi di un azionamento elettrico Motore elettrico Struttura di un motore elettrico Motori elettrici impiegati negli azionamenti Convertitore statico di potenza Tipologie di convertitori Protezione del convertitore Dispositivo di controllo Controllo in catena aperta Controllo in catena chiusa Schema a blocchi di un azionamento... 9 Test di apprendimento Indice delle figure e delle tabelle Indice del capitolo... 11

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