MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI

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1 MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI Corso di Laurea in Ingegneria Industriale Anno Accademico INTRODUZIONE Docente Francesco Benzi Università di Pavia fbenzi@unipv.it Dispense in collaborazione con Giovanni Petrecca e Lucia Frosini

2 Introduzione- Gli azionamenti elettrici Azionamenti: dispositivi che consentono la movimentazione di materiali e componenti Operazioni fabbricazione di prodotti (industrie primarie o manifatturiere) spostamento degli oggetti (stoccaggio, magazzini) trasporto di beni e persone (mezzi di trasporto e locomozione) operazioni di servizio ad altre attività (pompaggio, ventilazione, condizionamento) L energia sorgente si trasforma in energia meccanica attraverso una MACCHINA. Macchine idrauliche, pneumatiche o elettriche

3 Classificazione degli azionamenti Azionamenti idraulici utilizzano lo spostamento di fluidi come acqua o olio in pressione Azionamenti pneumatici utilizzano l energia associata al gas in pressione, in particolare l aria compressa Azionamenti elettrici sfruttano l energia elettrica

4 Azionamenti e macchine Oltre alla macchina un azionamento comprende diversi altri componenti: dispositivi di interfaccia con la sorgente principale di energia (alimentatori, convertitori), componenti di misura e sensori un sistema di controllo (logica circuitale, calcolatori, microprocessori) i relativi sistemi di comunicazione e di calcolo e le interfacce verso l utilizzatore.

5 Azionamenti idraulici (oleodinamici) potenze elevate (diverse migliaia di kw) movimento lineare senza riduttori o ingranaggi rendimento molto basso regolazione complessa dinamica lenta costi e ingombri i elevati

6 Azionamenti elettrici potenze piccole, medie e medio alte movimento rotatorio, eventualmente con riduttori o ingranaggi, movimento lineare rendimento elevato dinamica rapida regolazione complessa costi e ingombri accettabili

7 La macchina elettrica Energia elettrica Energia elettrica Trasformatori di potenza Convertitori statici: raddrizzatori, chopper, inverter Energia elettrica Energia meccanica Macchine elettriche rotanti (motori, generatori) Macchine lineari

8 La macchina elettrica MOTORE Rete Convertitore statico Carico Trasformatore Macchina elettrica GENERATORE Motore primo

9 L azionamento elettrico Convertitore statico Sensore di velocità Carico Trasformatore Segnale di comando Motore Segnali di misura Sistema di controllo Comando dell operatore Segnalazioni all operatore

10 Equazione meccanica J d ω m = C e dt C r Se C e >C r d/dt > 0 --> ω m crescente C e ω μ Carico --> Accelerazione Motore Se C e <C r d/dt < 0 --> ω m decrescente C r --> Decelerazione

11 Equazioni elettriche (,,ϕ ) Ce = f v, i,ϕ La coppia sviluppata è legata al tipo di motore e dipende principalmente i da correnti e flussi concatenati ti v v dϕc = Ri + ; ϕc = Li; dt = d Li Ri + ( ) Ri L di dl dt = + dt + dt i n equazioni n =numero di avvolgimenti

12 Esempi di azionamento 1 Compressore per frigorifero domestico tradizionale Alimentazione: diretta dalla presa di rete domestica 300 W, 220 V, 50 Hz Motore: motore asincrono monofase alimentato da rete Sensori: sensore di temperatura t interna del frigorifero if (termocoppia) Controllo: velocità costante; l avvio e lo spegnimento del motore sono condizionati da un relé comandato dal termostato e dalla temperatura impostata

13 Esempi di azionamento 2 Pompa industriale a velocità costante Alimentazione: trasformatore trifase dalla media alla bassa tensione (20 kv-400v) Motore: motore asincrono trifase 50 kw, 400 V, 50 Hz Sensori: sensore di corrente Controllo: nessun controllo di movimentazione; verifica che corrente (e temperatura) non superino i valori ammessi

14 Esempi di azionamento 3 Tornio a controllo numerico industriale Alimentazione: trasformatore e convertitore statico (inverter) Motore: motore asincrono per l utensile, azionamenti e motori brushless per gli assi Sensori: sensori di corrente, velocità e posizione (encoder) Controllo: controllo digitale a microprocessore per regolare l uscita dell inverter in funzione dei segnali di velocità e corrente, per regolarne il valore in modo da garantire un funzionamento regolare per il taglio dell utensile. Controlli separati dei motori per asse. Sistemi di comunicazione fra i vari azionamenti.

15 Esempi di azionamento 4 Locomotiva a trazione elettrica Alimentazione: linea aerea in c.c. a 3400 V, ridotta e regolata tramite chopper Motore: motore in continua con eccitazione serie (es. 70 kw, 640 V, 240 A, 1780 giri/min) Sensori: dinamo tachimetrica, sensore di corrente Controllo: regolazione di coppia, velocità, accelerazione Sistemi di comunicazione fra i vari azionamenti e con la centrale per interventi di telecomando.

16 L importanza della conversione elettromeccanica Una quota prevalente dell energia energia primaria subisce una serie di conversioni di tipo elettromeccanico sino all utilizzatore finale, dalle fonti primarie (petrolio, altre fonti) sino al lavoro utile svolto dal carico trascinato da un albero rotante. Ad ogni conversione è associato un rendimento con valore <1. Il rendimento totale è pari al prodotto dei singoli rendimenti. Esempio di una serie di conversioni elettromeccaniche:

17 L importanza della conversione elettromeccanica Il parco motori in Italia Il numero di motori elettrici utilizzati nell industria con potenza > 0,75 kw è stimato in circa Il consumo di energia elettrica è pari a circa GWh/anno, l 85% del totale consumo di energia elettrica nell industria in Italia ( GWh). Il parco trasformatori in Italia Il numero di trasformatori AT/MT e MT/bt installati in Italia è pari a circa di unità.

18 Punti di lavoro Funzionamento a regime Generatore e carico elettrico Le caratteristiche del generatore possono essere descritte graficamente in un piano delle potenze (V x I)

19 Punti di lavoro per carichi meccanici Tipologie di carichi Carico a coppia costante Ascensori, azionamenti per gru, nastri trasportatori (Cr= Fxb=cost) Carico a coppia crescente con la velocità Carichi fluidodinamici (pompe, compressori, ventilatori) Carico a coppia decrescente con la velocità: Macchine utensili a potenza costante carichi di Macchine utensili a potenza costante, carichi di trazione

20 Accoppiamento macchina-carico Punti di lavoro per due diversi valori di tensione in una macchina in continua v1 v2 Coppia Punti tidil lavoro Caratteristica atte carico del n1 n2 Velocità Pm = Potenza meccanica = Coppia velocità angolare = Cm n = [ Nm rad / s] = [ W]

21 Caratteristiche meccaniche Caratteristiche di un motore asincrono per due valori di frequenza e tensione v1 v2 Coppia Punti tidil lavoro Caratteristica atte carico del n1 n2 Velocità Pm = Potenza meccanica = Coppia velocità angolare = Cm n = [ Nm rad / s] = [ W]

22 Regolazione di un azionamento elettrico Coppia Nm Punti di lavoro ammessi Punto di lavoro escluso n1 n2 n3 n4 n5 Velocità

23 Caratterizzazione dinamica dei carichi Nel dimensionamento del motore, la coppia fornita dal motore, per funzionamento continuativo, deve essere uguale alla coppia resistente del carico In caso di frequenti avvii e fermate (es. movimentazione) si deve prendere in considerazione anche la coppia di inerzia (o accelerazione) C e = C r + J tot d ω dt m