Esistono varie modalità secondo cui effettuare il controllo della
velocità di un motore asincrono.
Alcune permettono di far funzionare il motore con un buon
rendimento solo in un piccolo campo di variazione della
velocità; altre, invece, consentono escursioni di velocità più
ampie.
Il dispositivo di controllo può essere applicato al circuito di statore o
a quello di rotore; in quest’ultimo caso, ovviamente, occorre che il
rotore sia di tipo avvolto con gli avvolgimenti accessibili
dall’esterno.
Le principali tecniche di controllo, impiegate nel caso in cui il
motore asincrono sia controllato mediante un dispositivo applicato
al circuito di statore, possono essere suddivise in:
•
•
•
•
controllo in tensione;
controllo in frequenza;
controllo di scorrimento con alimentazione a tensione impressa;
controllo di scorrimento con alimentazione a corrente impressa;
• controllo ad orientamento di campo.
Il controllo in tensione, il controllo in frequenza e il controllo di
scorrimento con alimentazione a tensione impressa impiegano una
alimentazione in tensione degli avvolgimenti statorici della
macchina e sono anche individuate con la dizione controllo
scalare, in quanto il dispositivo di controllo determina o solo
l’ampiezza o l’ampiezza e la frequenza della tensione da applicare al
circuito statorico
Il controllo di scorrimento con alimentazione a corrente impressa
e il controllo ad orientamento di campo prevedono, invece, una
alimentazione in corrente e sono individuate con la dizione
controllo vettoriale in quanto il dispositivo di controllo
determina il valore del modulo e della direzione del vettore di
corrente da applicare alla macchina o, equivalentemente, le sue
due componenti secondo un opportuno sistema di riferimento.
Oltre alle tecniche precedentemente elencate,
sono anche utilizzate altre tecniche che
presentano
una
complessità
realizzativa
intermedia tra quelle con controllo scalare e
quelle con controllo vettoriale.
La più semplice modalità, secondo cui è possibile effettuare il
controllo della velocità di un motore asincrono, consiste nel variare
l’ampiezza della tensione con cui si alimenta il circuito di statore
mantenendone costante la frequenza.
Dall’espressione della coppia precedentemente ricavata, si può
constatare che, a parità di velocità di rotazione e di pulsazione di
alimentazione, la coppia a regime permanente risulta proporzionale
al quadrato della tensione di alimentazione. Si ottengono, quindi,
caratteristiche statiche del tipo di quelle riportate nella prossima
figura, in cui il parametro Kv è pari al rapporto tra l’ampiezza della
tensione applicata al motore e quella nominale.
Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della
tensione.
Impiegando un normale motore di serie, che presenta un valore di
scorrimento di coppia massima abbastanza piccolo, il campo entro
cui è possibile controllare la velocità del motore risulta alquanto
limitato.
Per ampliare tale campo è necessario utilizzare un motore,
appositamente progettato, caratterizzato da uno scorrimento di
coppia massima alquanto più elevato dell’usuale. Questo può essere
ottenuto, come si vedrà in seguito, progettando la gabbia rotorica in
modo che presenti una resistenza più elevata.
Nella successiva figura sono riportate la caratteristiche statiche di un
motore caratterizzato da uno scorrimento di coppia massima
prossimo all’unità; nella stessa figura, al fine di evidenziare il
possibile campo di variazione della velocità, è anche riportata una
curva di carico, avendo assunto che la coppia resistente Cr sia
proporzionale al quadrato della velocità.
Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della
tensione per un motore con elevata resistenza rotorica.
Occorre, comunque, tenere presente che il rendimento del motore
dipende solo dalla pulsazione di alimentazione e dallo scorrimento,
mentre risulta indipendente dall’ampiezza della tensione di
alimentazione
il motore controllato agendo sull’ampiezza della tensione di
alimentazione può, quindi, funzionare con un buon rendimento
solo in un campo di velocità alquanto limitato.
Il controllo in tensione può essere facilmente realizzato
utilizzando un convertitore c.a -c.a. a controllo di fase; il suo
impiego è, però, in genere limitato o al caso in cui si desideri
mantenere la velocità del motore a un valore costante di poco
inferiore alla velocità di sincronismo oppure al caso in cui la
coppia di carico cresca almeno col quadrato della velocità (come
quando il carico è costituito da pompe o da ventilatori).
La velocità di rotazione di un motore asincrono può essere
controllata anche agendo sulla frequenza della tensione con cui si
alimenta la macchina; tale modalità consente di ottenere un buon
rendimento in un ampio campo di variazione della velocità.
La possibilità di alimentare il motore asincrono a frequenza
variabile e i vantaggi che se ne possono ricavare erano noti già
da molto tempo.
La sua applicazione, però, aveva trovato scarsa utilizzazione prima
dell’avvento dei semiconduttori di potenza, a causa delle difficoltà
tecnologiche connesse alla realizzazione di un dispositivo atto ad
alimentare il motore con una terna di tensioni alternate variabili in
ampiezza e frequenza; infatti, al fine di evitare che il flusso al
traferro del motore raggiunga valori troppo elevati (che porterebbero
in saturazione la macchina) o troppo bassi (che produrrebbero una
coppia di valore molto inferiore a quello nominale), la variazione
della frequenza di alimentazione deve essere accompagnata da
una variazione della ampiezza della tensione.
Il controllo in frequenza può essere applicato a motori di serie,
costruiti per funzionare alimentati da rete con una tensione di
ampiezza e frequenza costanti; in questo caso, la frequenza di
alimentazione è in genere limitata a 120, 150 Hz.
Quando, invece, si desidera che il motore possa essere alimentato
anche a frequenze più elevate, è conveniente impiegare un motore
appositamente progettato (motore per inverter).
L’alimentazione a frequenza variabile presenta tuttora un rilevante
interesse applicativo; pertanto, ad essa verrà dedicata una esauriente
trattazione analitica prendendo in considerazione sia il
comportamento statico sia il comportamento dinamico.
Gli azionamenti con controllo in frequenza presentano un
buon
comportamento
statico;
viceversa
il
loro
comportamento dinamico risulta accettabile solo se è
richiesta una dinamica molto lenta o lenta.
Per realizzare azionamenti caratterizzati da una dinamica
rapida o molto rapida è, pertanto, necessario ricorrere a
tecniche di controllo più sofisticate.
La più semplice realizzazione di un controllo vettoriale, è basata
sulla alimentazione in corrente e utilizza come variabile di controllo
la pulsazione di scorrimento.
In particolare, il regolatore di velocità determina il valore della
pulsazione di scorrimento mentre il modulo della corrente statorica
viene scelto in modo da mantenere costante, nel funzionamento a
regime permanente, il modulo del flusso concatenato con gli
avvolgimenti di statore o di rotore della macchina.
Un successivo sviluppo del controllo vettoriale ha portato al
controllo ad orientamento di campo che consente di controllare
separatamente la coppia motrice sviluppata dal motore ed il modulo
del flusso concatenato con gli avvolgimenti di rotore.
Il controllo ad orientamento di campo utilizza una
schematizzazione ad assi rotanti e richiede una o più
trasformazioni trigonometriche, da assi rotanti ad assi fissi e
viceversa. Inoltre, per ottenere una alimentazione in corrente
sufficientemente precisa, è necessario impiegare una frequenza
di commutazione dell’inverter abbastanza elevata.
Per ovviare a queste necessità, sono state proposte altre tecniche
che, pur consentendo, di effettuare un controllo separato del flusso e
della coppia, richiedono o minori potenzialità di calcolo o minori
frequenze di commutazione.
Le due tecniche più interessanti sono:
• il controllo diretto di coppia (Direct Torque Control, DTC)
• l’autocontrollo diretto (Direct Self Control, DSC).
L’impiego di motori asincroni alimentati direttamente da rete e
con controllo sul rotore ha destato minore interesse applicativo
rispetto a quello di motori controllati sullo statore.
Tale minore interesse, che è ulteriormente sceso negli ultimi anni, è
dovuto sia alla necessità di dovere impiegare un motore più
complesso (motore a rotore avvolto con avvolgimenti rotorici
accessibili dall’esterno tramite anelli) sia alla minore velocità di
risposta alle variazioni del segnale di controllo che presentano,
in genere, i sistemi di controllo da rotore. Alcune delle modalità di
controllo rotorico hanno, inoltre, un buon rendimento solo in un
piccolo campo di escursione della velocità.
Le varie tecniche di
controllo rotorico
possono essere
derivate dal seguente
schema di principio
L’aggiunta della resistenza variabile Re modifica la costante di
tempo rotorica Tr, che diventa:
Pertanto, le espressioni del valore massimo della coppia e del
relativo scorrimento:
mostrano che, il valore massimo della coppia elettromagnetica è
indipendente dal valore della resistenza esterna, mentre lo
scorrimento di rovesciamento è direttamente proporzionale al
valore della somma della resistenza rotorica e di quella esterna.
Le caratteristiche statiche coppia-velocità assumono, al variare della
resistenza esterna Re, l’andamento illustrato nella prossima figura
Dall’espressione
si vede che il motore asincrono controllato tramite resistenze inserite
nel circuito di rotore presenta un buon rendimento solo in un
campo di velocità alquanto limitato.
Una parte delle perdite (proporzionale al valore di Rr) si localizza
negli avvolgimenti di rotore, mentre l’altra parte (proporzionale al
valore di Re) viene dissipata nel resistore esterno.
Se la coppia resistente è sufficientemente inferiore alla coppia
massima sviluppabile dal motore, a parità di coppia resistente, lo
scorrimento risulta circa proporzionale alla somma della resistenza
propria degli avvolgimenti di rotore e di quella esterna; la potenza
dissipata negli avvolgimenti di rotore dipende, quindi, quasi
esclusivamente dal valore della coppia.
Conseguentemente, quando la coppia resistente è pari a quella
nominale, le perdite localizzate all’interno del motore risultano,
per qualsiasi valore della velocità di rotazione, praticamente
uguali a quelle nominali. Al diminuire della velocità, invece,
aumenta la potenza dissipata sulle resistenze esterne.
Le tre resistenze variabili possono essere costituite o da un reostato
trifase, il cui valore di resistenza viene variato meccanicamente,
oppure da una apparecchiatura elettronica, atta a produrre un effetto
simile a quello di un reostato.
a)
b)
alternativamente aperto e chiuso
A causa sia della diminuzione del rendimento al diminuire della
velocità di rotazione del motore sia dei problemi di riscaldamento,
le modalità di controllo rotorico esaminate presentano un campo
di impiego analogo a quello del controllo in tensione applicato
allo statore; pertanto, esse sono utilizzate solo quando si desidera
mantenere la velocità del motore a un valore costante di poco
inferiore a quello di sincronismo oppure quando la coppia di
carico cresce almeno con il quadrato della velocità.
In tali condizioni operative, i dispositivi impiegati per il controllo
da rotore risultano più economici di quelli che realizzano il
controllo in tensione statorica.
Dal punto di vista energetico, l’inserzione di resistenze variabili in
serie ai circuiti rotorici produce il prelievo controllato di una
parte dell’energia trasmessa dallo statore al rotore e la sua
dissipazione all’esterno della macchina.
Lo stesso effetto di prelievo e dissipazione dell’energia può essere
ottenuto impiegando un carico R-L costante, alimentato dai circuiti
rotorici del motore mediante un convertitore statico, come mostrato
nella prossima figura.
L’energia che il convertitore statico trasferisce dal circuito di
rotore al carico può, invece che venire dissipata, essere
nuovamente trasferita alla rete di alimentazione mediante un
secondo convertitore, in modo da ottenere un buon rendimento
in un ampio campo di variazione della velocità.
Uno schema che realizza tale soluzione è mostrato nella prossima
figura; in esso, il sistema di conversione è costituito da un
raddrizzatore a diodi e da un inverter commutato da rete che
controlla il trasferimento di energia dal rotore alla rete di
alimentazione. Tra i due convertitori è opportuno inserire
un’induttanza di spianamento, allo scopo di ridurre l’ondulazione
della corrente che alimenta l’inverter.
Caratteristiche statiche ottenibili
La soluzione illustrata permette di variare la velocità di
rotazione del motore solo al di sotto del sincronismo
(funzionamento iposincrono).
Se si impiega, invece, un sistema di conversione bidirezionale, il
flusso dell’energia può essere invertito ed è possibile trasferire
energia dalla rete ai circuiti rotorici; in questa si tuazione, la
velocità del motore può superare quella di sincronismo
(funzionamento ipersincrono).
Il sistema di conversione bidirezionale può essere realizzato
sostituendo, ai sei diodi del ponte non controllato, sei
raddrizzatori controllati.
Nel funzionamento iposincrono, l’angolo di accensione dei
raddrizzatori del convertitore connesso al rotore della macchina
viene tenuto pari a 0 e il flusso di energia viene controllato
mediante il convertitore connesso alla rete; nel funzionamento
ipersincrono, invece, l’angolo di accensione del convertitore
connesso alla rete viene mantenuto prossimo a 180 e il flusso di
energia viene controllato agendo sul convertitore connesso al
rotore.
Le due modalità di funzionamento (ipo e ipersincrono) possono, in
generale, essere realizzate senza eccessive difficoltà; al contrario, il
passaggio dall’uno all’altro tipo di funzionamento richiede
opportuni accorgimenti, in quanto in prossimità della velocità di
sincronismo le f.e.m. rotoriche diventano praticamente nulle.
