metodologie di misura e collaudo degli azionamenti elettrici

METODOLOGIE DI MISURA E COLLAUDO
DEGLI AZIONAMENTI ELETTRICI:
PROBLEMATICHE E STATO DI AVANZAMENTO
DEL LAVORO NORMATIVO
P. Bolognesi(*), Ottorino Bruno(*), Antonio Dell’Aquila(**),
F. Genduso(***), S. Nuccio(***), Giuseppe Ricco Galluzzo(***),
L. Sani(*), Lucio Taponecco(*)
(*) Dip. di Sistemi Elettrici e Automazione - Università di Pisa
Via Diotisalvi 2 - 56126 Pisa (Italy)
tel. +39-050-565111 - fax +39-050-565333
e-mail: [email protected]
(**) Dip. di Elettrotecnica ed Elettronica - Politecnico di Bari
Via E. Orabona, 4 - 70125 Bari (Italy)
tel. +39-080-5963366 – fax +39-080-5963410
e-mail: [email protected]
(***) Dip. di Ingegneria Elettrica - Università di Palermo
Viale delle Scienze snc - 90128 Palermo (Italy)
tel. +39-091-6566265 - fax +39-091-488452
e-mail: [email protected]
Sommario
In questa memoria viene inizialmente presentata una
panoramica sullo stato attuale della Normativa relativa agli
azionamenti elettrici sia a livello nazionale che internazionale,
evidenziando le carenze esistenti. Viene inoltre sottolineata
l’esigenza di introdurre una targa standardizzata per gli
azionamenti elettrici, che integri opportunamente quelle già
previste per i singoli componenti di potenza, nonché la
necessità di individuare e normare le prove di tipo da eseguirsi
obbligatoriamente per la validazione dei dati riportati sulla
targa stessa.
A questo riguardo, vengono poi illustrate le problematiche
peculiari relative all’esecuzione di misure e prove di
caratterizzazione su azionamenti elettrici, che risultano legate
essenzialmente alla tipologia dei segnali di interesse ed alla
notevole varietà di caratteristiche che questi sistemi possono
presentare, sia dal punto di vista della struttura di potenza che
delle modalità di funzionamento previste e della logica di
controllo utilizzata.
Viene infine descritto lo stato di avanzamento dell'attività del
gruppo di lavoro che, in seno al Comitato Tecnico CEI
301/22G, si sta occupando di tale problematica, illustrando le
tipologie di prove obbligatorie al momento ipotizzate ed i criteri
seguiti per la loro definizione.
1- INTRODUZIONE
La scelta e l'esecuzione di prove di caratterizzazione e/o
validazione di caratteristiche e dati "nominali" sugli
azionamenti elettrici presenta problematiche amplificate
rispetto a quelle che si incontrano per le macchine elettriche e
per i convertitori statici non destinati a questo tipo di impiego.
Infatti, l’alimentazione di macchine elettriche attraverso
convertitori statici comporta la presenza di grandezze affette
da armoniche e disturbi, di entità anche non trascurabile, che
possono presentarsi sia a bassa che ad alta frequenza, a
seconda della tipologia della struttura di potenza, della taglia e
della logica di modulazione adottata. Queste grandezze
distorte comportano, a loro volta, l’esaltazione di fenomeni
secondari nel motore, quali perdite addizionali e oscillazioni di
coppia, che nel funzionamento con alimentazione diretta
canonica sono di norma trascurabili. Analogamente, la
presenza di una logica di controllo del moto, che si
sovrappone alla tecnica di modulazione arrivando talora a
rimpiazzarla completamente, rende l’effettivo funzionamento
del convertitore potenzialmente assai diverso da quello che si
avrebbe in applicazioni operanti in regime permanente. Inoltre,
data la rilevante importanza che assume nel campo degli
azionamenti il comportamento in transitorio, anche la verifica
dell’effettivo comportamento del sistema in regime dinamico
diviene indispensabile, richiedendo la definizione di specifiche
metodologie di prova che non trovano riscontro in quelle
canoniche per le macchine ed i convertitori considerati a se
stanti, tipicamente relative alle sole condizioni di regime
stazionario.
2- LA NORMATIVA SUGLI AZIONAMENTI ELETTRICI
La maturità progettuale/realizzativa ormai raggiunta dagli
azionamenti elettrici e la loro ampia e crescente diffusione in
una molteplicità di settori applicativi ne fanno un “prodottosistema” ben individuabile, oggetto di produzione industriale
su larga scala e di continui investimenti in innovazione
tecnologica.
Pertanto, risulta già da tempo fortemente sentita, sia da parte
dei costruttori che degli utilizzatori, l’esigenza di una
Normativa che renda possibile una catalogazione unificata
degli azionamenti elettrici e quindi un agevole confronto delle
relative prestazioni, validate attraverso prove standardizzate
eseguite secondo procedure ben definite. A fronte di tale
esigenza, la situazione della normativa sugli azionamenti
elettrici, visti come un unico “prodotto-sistema” con proprie
caratteristiche non sempre deducibili da quelle dei suoi
componenti, risulta ancora oggi non consolidata e per diversi
aspetti lacunosa, sia a livello nazionale che internazionale.
2.1 - Normativa Internazionale
A tutt’oggi, a livello internazionale non sono ancora stati istituiti
Comitati Tecnici normatori che si occupino specificamente di
azionamenti elettrici visti come sistemi integrati. Esiste tuttavia
il Sottocomitato 22G “Semiconductor power converters for
adjustable frequency drive systems” del Comitato Tecnico 22
“Power Electronic Systems and Equipment” della IEC, che ha
elaborato alcune Norme sugli azionamenti elettrici e ne ha
attualmente altre in fase di studio.
Le Norme tecniche sviluppate dal SC 22G e riguardanti gli
azionamenti elettrici, intesi come sistemi unitari, sono
riassunte nella tabella 1.
Sigla Norma
IEC 61136-1
IEC 61800-1
IEC 61800-2
IEC 61800-3
IEC 61800-3/A11
Anno
1991
1997
1997
1996
2000
Corrisp. Norma CEI
CEI EN 61136-1-3
CEI EN 61800-1
CEI EN 61800-2
CEI EN 61800-3
CEI EN 61800-3/A11
Anno
1998
2000
1999
1997
2000
Tab. 1- Norme in vigore per gli azionamenti elettrici industriali
La Norma IEC 61136-1 “Semiconductor power converters Adjustable speed electrical drive systems - General
requirements - part 1: Rating specifications, particularly for d.c.
motor drives” riguarda la specificazione delle caratteristiche
nominali dei convertitori di potenza a semiconduttori per
azionamenti elettrici a velocità variabile, particolarmente nei
casi di motore in c.c.. Essa non si applica agli azionamenti
per trazione, sia automobilistica che a guida vincolata. Questa
Norma è stata adottata dal CEI come Norma CEI EN 61136-1
“Convertitori di potenza a semiconduttori. Azionamenti elettrici
a velocità variabile. Prescrizioni generali Parte 1: Specifiche
nominali, in particolare per gli azionamenti con motori a
corrente continua”.
La Norma IEC 61800-1 ”Adjustable speed electrical power
drive systems - Part 1: General requirements - Rating
specifications for low voltage adjustable d.c. power drive
systems” riguarda gli azionamenti a velocità variabile per
applicazioni generali impieganti motori in c.c., alimentati da
linee in c.a. a 50 Hz o 60 Hz con tensione fino a 1kV. Questa
norma non si applica agli azionamenti per trazione elettrica, ed
è stata adottata dal CEI come Norma CEI EN 61800-1
“Azionamenti elettrici a velocita’ variabile - Parte 1: prescrizioni
generali e specifiche nominali per azionamenti a velocità
variabile a bassa tensione con motori in c.c.”.
La Norma IEC 61800-2 ”Adjustable speed electrical power
drive systems - Part 2: General requirements - Rating
specifications for low voltage adjustable frequency a.c. power
drive systems” riguarda gli azionamenti a velocità variabile per
applicazioni generali impieganti motori in c.a. operanti fino a
600 Hz, alimentati da linee in c.a. a 50 Hz o 60 Hz con
tensione fino a 1 kV. Questa norma non si applica agli
azionamenti per trazione elettrica, ed è stata adottata dal CEI
come Norma CEI EN 61800-2 “Azionamenti elettrici a velocità
variabile - Parte 2: prescrizioni generali e specifiche nominali
per azionamenti a velocità variabile a bassa tensione con
motori in c.a.”.
La Norma IEC 61800-3 “Adjustable speed electrical power
drive systems - Part 3: EMC product standard including
specific test methods” ha come scopo la definizione dei
requisiti di compatibilità elettromagnetica degli azionamenti
elettrici a velocità variabile, con motori in c.c. o in c.a.,
alimentati da reti in c.a. con tensione fino a 1 kV. Essa
specifica, inoltre, i limiti e i metodi di prova di un azionamento
elettrico a velocità variabile includendo i requisiti di emissione
e immunità elettromagnetica per azionamenti in ambiente
industriale e residenziale. La Norma non si applica agli
azionamenti per trazione elettrica e, in quanto Norma di
prodotto, prevale sulle Norme generiche armonizzate alla
Direttiva 336 sulla Compatibilità Elettromagnetica del 1989.
Questa Norma è stata tradotta in italiano e pubblicata dal CEI
come Norma CEI EN 61800-3 “Azionamenti elettrici a velocità
variabile - Parte 3: Norma di prodotto relativa alla compatibilità
elettromagnetica ed ai metodi di prova specifici”. La Norma è
stata aggiornata nel 2000 con la variante CEI-EN 61800-3/A11
”Norma di prodotto relativa alla compatibilità elettromagnetica
e ai metodi di prova specifici”.
Il SC 22G ha inoltre elaborato le seguenti bozze di Norme
tecniche:
- la bozza della Norma IEC 61800 – 4 “ General requirements
- Rating specifications for a.c. power drive systems above
1000 V a.c. or 1500 V d.c. and not exceeding 38 kV “;
- la bozza della Norma IEC 61800 - 5 “Adjustable speedx
electrical power drive systems - Part 5-1: Safety
requirements - Electrical, thermal and energy”, che è
attualmente sottoposta all’inchiesta parallela dell’IEC e del
CENELEC e deve essere votata entro l’1.3.2002;
- la bozza della Norma IEC 61800 - 6 “Adjustable speed
electrical power drive systems - Part 6: Guide for
determination of types of load duty and corresponding
current ratings”, che è finalizzata a diventare un Rapporto
Tecnico e a sostituire, annullandola, la Norma IEC 61136-1;
essa è stata sottoposta all’inchiesta e doveva essere votata
entro il 14.12.2001.
Per quanto riguarda gli azionamenti per trazione elettrica, a
livello
internazionale
la
competenza
normativa
è
sostanzialmente affidata al Comitato Tecnico 09 “Electric
Railway Equipment” della IEC, che di fatto si occupa anche di
veicoli stradali; le Norme prodotte da questo comitato sono
indicate in tabella 2.
Sigla Norma
IEC 60349-1
IEC 60349-2
IEC 60349-3
IEC 61377
Anno
1999
1993
1995
1996
Tab. 2 - Norme in vigore per gli azionamenti di trazione
Le prime tre Norme riguardano tuttavia solo le macchine
elettriche.
Infatti, la Norma IEC 60349-2 “Electric traction - Rotating
electrical machines for rail and road vehicles - Part 2 Electronic convertor-fed a.c. motors” riguarda i motori in c.a.
alimentati attraverso convertitori statici e la IEC 60349-3
“Electric traction - Rotating electrical machines for rail and
road vehicles - Part 3 - Determination of the total losses of
convertor-fed a.c. motors by summation of the component
losses” concerne la determinazione delle perdite in questi
motori, mentre la Norma IEC 60349-1 “Electric traction Rotating electrical machines for rail and road vehicles - Part 1
- Machines other than electronic convertor-fed a.c. motors” si
occupa di tutte le altre macchine elettriche.
La Norma IEC 61377 “Electric traction - Rolling stock Combined testing of inverter-fed a.c. motors and their control”
riguarda invece le prove sugli azionamenti con motori in c.a.,
fornendo in particolare indicazioni sui metodi di rilievo
sperimentale delle prestazioni e delle caratteristiche di
funzionamento.
2.2 - Attività Normativa Italiana
In seno al Comitato Elettrotecnico Italiano, nel 1994 fu istituita
una “Commissione sugli Azionamenti Elettrici” con l'incarico di
studiare le specifiche problematiche che la sempre maggiore
diffusione degli azionamenti elettrici andava ponendo. Veniva
infatti già avvertita la crescente necessità di creare apposite
Norme che integrassero, con un'ottica di sistema, quelle
“componentistiche” relative alle macchine elettriche ed ai
convertitori statici, considerando quindi le prestazioni
dell’assieme, ivi compresa la logica di controllo. Al riguardo
veniva considerata essenziale la definizione di una targa
standardizzata per gli azionamenti elettrici, che integrasse
opportunamente quelle già previste per i singoli componenti di
potenza.
Nel 1996 fu quindi costituito il Comitato Tecnico 301 con lo
specifico compito di provvedere alla stesura delle bozze di
normativa sugli Azionamenti Elettrici, coordinandosi a livello
europeo ed internazionale con i competenti organi normatori.
Dal 2001, dopo un periodo di collaborazione sempre più
stretta, il suddetto Comitato Tecnico si è fuso con il
Sottocomitato 22G, che si occupava specificamente di
convertitori statici per azionamenti elettrici, venendo così a
costituire il CT 301/22G con competenze integrate.
Nel corso della sua attività, il Comitato Tecnico 301 ha
predisposto un “Dizionario” [1], nel quale viene univocamente
definita la terminologia tecnica specifica per la descrizione dei
componenti, delle caratteristiche e delle prestazioni degli
azionamenti elettrici come sistemi interconnessi e coerenti di
dispositivi di potenza, di apparecchiature di controllo e di
logiche di regolazione.
Il Comitato ha inoltre predisposto una “Guida” [2], che prende
in considerazione le due seguenti tipologie di azionamenti
elettrici:
- per applicazioni industriali con alimentazione da linea in c.a.
a tensione non superiore a 1 kV e frequenza 50 Hz o 60 Hz,
impieganti motori in c.c. oppure in c.a. con frequenza fino a
600 Hz;
- per veicoli stradali a trazione elettrica con alimentazione in
c.c. a tensione non superiore a 1500 V, impieganti motori in
c.c. o in c.a. .
Nella “Guida” vengono identificate le grandezze fisiche, le
peculiarità costruttive e le modalità operative di principale
interesse per la caratterizzazione funzionale e prestazionale
degli azionamenti elettrici, nonchè i principali dati di specifica
per la definizione del progetto coordinato dell’azionamento,
sotto gli aspetti elettrico, meccanico e termico.
In particolare la “Guida”, coerentemente al “Dizionario”:
a) classifica gli azionamenti in “mono-motore” e “plurimotore”, in relazione al fatto che comprendano uno o più
motori;
b) definisce 4 “modalità operative”:
- “motore”;
- “frenatura in controcorrente”, nella quale l’energia di
frenatura viene completamente dissipata in calore
all’interno dell’insieme motore - convertitore di uscita;
- “generatore su rete attiva”, nella quale l’energia di
frenatura viene restituita alla rete di alimentazione;
- “generatore su rete passiva”, nella quale l’energia di
frenatura viene dissipata su un apposito reostato
esterno;
c) definisce, per quanto riguarda il “tipo di funzionamento”, le
seguenti categorie:
- “a coppia costante”, nella quale l'azionamento è in grado
di erogare una coppia pari in modulo a quella nominale
per velocità comprese, in modulo, fra quella minima e
quella nominale, che coincide con quella massima;
- “a coppia e potenza costante”, nella quale l'azionamento
è in grado di erogare una coppia pari in modulo a quella
nominale per velocità comprese, in modulo, fra quella
minima e quella nominale, mentre è in grado di erogare
la potenza meccanica nominale per velocità comprese
fra quella nominale e quella massima, che risultano
quindi diverse fra loro.
La Guida richiama inoltre le principali modalità di
comunicazione per azionamenti elettrici attualmente impiegate
a livello industriale e specifica i limiti dei parametri ambientali e
dell’intensità delle vibrazioni meccaniche entro i quali
l’azionamento deve poter operare correttamente, ovvero
essere trasportato o stoccato.
Per ciascuna delle tipologie di azionamenti prese in
considerazione, la Guida definisce infine i modelli
standardizzati delle relative targhe, precisando quindi i dati e
le caratteristiche che vi devono essere riportati.
2.3 – Considerazioni sulle carenze delle normativa
Da quanto sopra esposto, emerge chiaramente come la
Normativa attualmente in vigore sugli azionamenti elettrici
risulti piuttosto lacunosa. Infatti, per le applicazioni di trazione
elettrica esistono Norme obbligatorie solo per gli azionamenti
impieganti motori in c.a., mentre per le applicazioni industriali
esistono solo Norme relative a prove speciali, e quindi da
pattuire facoltativamente fra fornitore ed acquirente.
Inoltre, mentre per le applicazioni industriali esiste una
normativa che copre gli aspetti relativi alla compatibilità
elettromagnetica, nell’ambito della trazione elettrica stradale
allo stato attuale possono solo essere applicate normative
generali oppure concepite per applicazioni in veicoli con
propulsione endotermica, e quindi non idonee a tenere conto
delle interferenze generate dagli azionamenti di trazione.
Nell’ambito delle applicazioni per trazione elettrica a guida
vincolata, esiste invece un gruppo di Norme, le CEI ENV
50121 “Applicazioni ferroviarie - Compatibilità elettromagnetica”, concepite con lo scopo di fornire una regolamentazione
nel campo della compatibilità elettromagnetica dei sistemi di
trazione ferroviaria. Tuttavia, in queste norme l’azionamento
elettrico
non
viene
comunque
considerato
come
apparecchiatura unica, per cui la definizione di metodologie di
misure e prove di emissioni elettromagnetiche, così come
l’indicazione dei relativi limiti, si riferisce o al solo convertitore
di trazione (CEI ENV 50121-3-2) o all’intero veicolo (CEI ENV
50121-3-1).
3 - PROBLEMATICHE DI MISURA E DI PROVA RELATIVE
AGLI AZIONAMENTI ELETTRICI
L’attività sperimentale nel settore degli azionamenti elettrici
svolge un ruolo essenziale e trainante e viene condotta con
metodologie diverse a seconda della sua finalizzazione. Tale
attività, infatti, che risulta utile già a livello di ricerca teorica,
diventa essenziale nella fase di realizzazione e in quella di
commercializzazione degli azionamenti elettrici.
L’attività di ricerca sugli azionamenti elettrici si avvale di prove
per la verifica delle teorie proposte. Tali prove possono anche
suggerire l’approfondimento di particolari aspetti dei problemi
analizzati, divenendo in tal modo valido strumento di stimolo
per la stessa attività di ricerca e contribuendo anche per
questa via allo sviluppo delle conoscenze del settore.
La realizzazione di azionamenti elettrici che soddisfano
definite specifiche di progetto non può prescindere da prove di
caratterizzazione su prototipi che hanno lo scopo di verificare
la rispondenza del funzionamento alle specifiche di progetto.
Tali prove possono consentire anche un affinamento ed una
ottimizzazione
del
progetto
evidenziando
eventuali
caratteristiche non previste in dipendenza dai numerosi fattori
che non vengono portati in conto in sede progettuale.
Nella commercializzazione degli azionamenti elettrici
l’esigenza di prove e misure deriva dalla necessità di verificare
se l’azionamento soddisfa alle specifiche contrattuali tra
acquirente e costruttore. Queste prove devono assicurare
ripetibilità e facilità di esecuzione e, pertanto, devono essere
regolate da una ben precisa standardizzazione che, per
consentire la circolazione dei prodotti, deve essere valida o
armonizzata in ambito internazionale, per esempio europeo.
Esistono, poi, misure che vengono impiegate per scopi di
controllo e diagnosi in linea degli azionamenti elettrici, le quali
diventano parte integrante dell’azionamento stesso in quanto
non solo sono funzionali al riconoscimento delle sue
prestazioni ma anche lo determinano. A tal riguardo, la
realizzazione e la messa a punto di metodologie di rilievo e
misura in linea e in tempo reale di parametri dell’azionamento
elettrico risulta indispensabile per l’attuazione delle leggi di
regolazione e controllo, connesse con le applicazioni cui
l’azionamento elettrico è destinato. Le misure per scopi
diagnostici vengono eseguite per verificare se l’azionamento
durante il suo funzionamento soddisfa alle necessità del
servizio nel processo di cui fa parte, fornendo prestazioni
entro i limiti ammissibili, e per valutare se sono necessari
interventi straordinari di manutenzione o di riparazione in
modo da ridurre l’incidenza dei danni dovuti a guasti in
esercizio. L’acquisizione ed elaborazione in linea di specifici
parametri diagnostici dell’azionamento può anche consentire
che al verificarsi di un insieme previsto e programmato di
eventi anomali vengano attuati adeguati interventi correttivi
sull’azionamento.
Accanto a queste motivazioni di base nuovi interessi sono
emersi in questi ultimi anni per quanto riguarda l’utilizzazione
di metodologie di misure e prove come strumento di indagine
sugli azionamenti elettrici. Tali interessi sono correlati allo
sviluppo e impiego di nuovi componenti nella realizzazione
degli azionamenti, allo sviluppo di macchine e azionamenti
elettrici di tipo innovativo, allo sviluppo di tecniche di controllo
e diagnosi innovative.
Tutti questi aspetti innovativi, oltre che richiedere prove
tradizionali e non nella fase di sviluppo, spesso implicano la
necessità di definire nuove metodologie di caratterizzazione
degli azionamenti elettrici, di affrontare problematiche di
standardizzazione e pongono nuove problematiche di misura.
3.1 - Problematiche di misura
Le problematiche di misura sugli azionamenti elettrici sono
numerose e diversificate e si ricollegano essenzialmente ai
diversi aspetti evidenziati nel paragrafo precedente da un lato
e allo sviluppo di nuovi dispositivi di misura dall’altro.
Nel seguito verranno analizzate solo alcune problematiche di
aspetto generale, legate essenzialmente alle caratteristiche
dei segnali di interesse e della strumentazione di misura
attualmente disponibile, che si riscontro nelle applicazioni. A
tal riguardo valgono le seguenti considerazioni:
- la distorsione delle forme d'onda delle tensioni e delle
correnti in gioco fa nascere il problema della scelta e della
corretta utilizzazione della strumentazione per il rilievo e la
misura delle grandezze di interesse;
- per la misura di tensioni e correnti in c.a. distorte gli attuali
strumenti elettronici a vero valore efficace presentano buona
accuratezza, buone caratteristiche di impedenza di ingresso
e un campo di frequenza abbastanza esteso, anche se
possono presentare una limitazione inferiore del campo di
frequenza sull’ordine dell’Hz;
- gli strumenti che lavorano nel dominio della frequenza,
basandosi sulla trasformata discreta Fourier ed utilizzando la
trasformata veloce di Fourier, possono fornire risultati poco
accurati se non si pone particolare attenzione al rispetto di
opportune condizioni; a tale riguardo, per ottenere misure
accurate occorre ricorrere all’impiego di un campionamento
sincronizzato, oppure applicare ai risultati della F.F.T. degli
algoritmi di interpolazione o particolari tipi di finestre;
- particolari problemi si presentano nella determinazione della
coppia e della velocità all’asse in quanto tali grandezze
possono presentare componenti oscillatorie di entità non
trascurabile e pertanto la potenza meccanica non può essere
ottenuta come prodotto dei valori medi di coppia e velocità,
ma deve determinarsi come valore medio del prodotto dei
valori istantanei di tali grandezze; altri problemi possono
nascere in dipendenza della limitata banda passante dei
trasduttori di misura di coppia e di velocità;
- eventuali trasduttori di tensione e corrente possono
introdurre notevoli errori dovuti alla limitazione della banda
passante e agli sfasamenti introdotti.
In termini di precisione, la misura più critica fra le grandezze
elettriche resta comunque quella della potenza.
Per quanto riguarda quest’ultimo punto si ritiene opportuno
riportare i risultati di uno studio [3] riguardante la precisione
delle misure su azionamenti a velocità variabili ottenute
impiegando i moderni analizzatori di potenza. Tale studio ha
messo in evidenza che nella misura della potenza si possono
commettere errori fino al 7% e che tali errori variano anche in
dipendenza del tipo di azionamento. Più precisamente è stato
evidenziato che, utilizzando alcuni analizzatori (con precisione
nella misura della potenza compresa tra lo 0.05% della lettura
+ 0.05% del range e lo 0.2% della lettura + 0.15% del range,
frequenza di campionamento compresa tra 70 kHz e 104 kHz
e larghezza di banda compresa tra dc/0.1Hz -200kHz e
dc/2Hz -200kHz) per misurare la potenza assorbita dal motore
in azionamenti con motore ad induzione alimentati tramite
inverter PWM, in azionamenti con motore brushless e
azionamenti con motore a riluttanza variabile, soltanto nel
caso dell’azionamento con motore ad induzione si sono
ottenuti risultati con precisione compresa all’interno del range
dichiarato, mentre nel caso degli azionamenti con motore a
riluttanza variabile si è riscontrato il massimo errore di misura
pari al 7%. Questa notevole imprecisione è dovuta
essenzialmente all’elevato contenuto di armoniche ad alta
frequenza nello spettro della tensione in uscita all’inverter e
quindi nello spettro della potenza istantanea [4].
I risultati del sopracitato studio hanno evidenziato, inoltre, che
con una frequenza di campionamento pari a 5 volte la
frequenza dell’armonica significativa del più elevato ordine
dell’onda analizzata gli attuali analizzatori di potenza non sono
in grado di ricostruire accuratamente la forma d’onda della
potenza istantanea e che per scopi pratici è consigliabile
adottare strumenti con una frequenza di campionamento pari
a 10 volte la frequenza dell’armonica significativa di ordine più
elevato.
3.2 - Problematiche di prova
Le principali problematiche riguardanti le prove per la
validazione delle caratteristiche nominali di un azionamento
elettrico o PDS (Power Drive System) risultano correlate ai
seguenti aspetti:
- complessità fisica e funzionale del sistema;
- regime termico;
- complessità e onerosità delle prove;
- incompletezza delle Norme esistenti o mancanza di
normative specifiche
3.2.1 - Complessità fisica e funzionale del sistema
L’azionamento elettrico è un sistema fisico complesso
comprendente un insieme integrato ed interdipendente di
apparecchiature e componenti. Tali componenti sono di
diversa tipologia e possono presentare numerose varianti
anche nell’ambito di una determinata tipologia di azionamento.
Inoltre il sistema azionamento è un sistema distribuito con cavi
di connessione dei diversi componenti di lunghezza e
caratteristiche variabili.
Complesso risulta anche il funzionamento del sistema
azionamento considerata la molteplicità degli aspetti
interagenti (elettrici, elettronici, meccanici, termici, di controllo)
e la possibilità di funzionamento in regime dinamico talvolta
prevalente e più importante rispetto a quello stazionario.
Da detta complessità fisica derivano problematiche di prova
che possono assumere differenti peculiarità a seconda della
tipologia di azionamento e, nell’ambito della stessa tipologia,
in dipendenza delle caratteristiche proprie dei componenti
dell’azionamento. Ad esempio le problematiche di prova per la
caratterizzazione dal punto di vista della compatibilità
elettromagnetica dell’azionamento elettrico dipendono anche
dalla lunghezza e dalle caratteristiche dei cavi di connessione
tra i diversi componenti e dalla loro disposizione.
Inoltre le prove effettuate sui componenti separati difficilmente
sono utilizzabili per la determinazione delle prestazioni
dell’intero azionamento. Più precisamente il fatto che i diversi
componenti dell’azionamento abbiano superato le prove di
validazione delle loro caratteristiche nominali, quando
funzionano separatamente, non fornisce alcuna garanzia che
il PDS nel suo complesso possa superare le prove di
validazione delle proprie caratteristiche nominali.
Nasce, quindi, il problema di individuare le caratteristiche
nominali per ogni tipologia di azionamento (considerato come
un unico blocco), e più in generale i parametri caratteristici atti
a descriverne il comportamento elettrico e meccanico, in
transitorio e in regime stazionario, e le metodologie di prova
per la determinazione di tali parametri. Da questo punto di
vista sono da preferire prove di tipo esterno e non invasive.
In particolare le prove statiche devono verificare le prestazioni
dell’azionamento in un prestabilito numero di punti di lavoro
nel campo di velocità (o di coppia) caratteristico
dell’azionamento e nella condizioni di alimentazione nominale
fornite dalle specifiche. Tali prove devono inoltre rilevare i
parametri atti a valutare l’impatto dell’azionamento sulla rete di
alimentazione, quale il fattore di potenza e il fattore di
distorsione totale della corrente di linea.
Le prove in regime dinamico devono verificare le prestazioni
dell’azionamento e la continuità di funzionamento durante i
transitori elettrici sulla rete di alimentazione e i transitori
meccanici. In proposito va osservato che la tendenza alla
standardizzazione delle procedure di prova per rendere
possibile il confronto delle prestazioni di diversi azionamenti
contrasta con la esigenza degli utilizzatori ad eseguire le
prove in condizioni di alimentazione e carico quanto più
possibile prossime alle reali condizioni di funzionamento
dell’azionamento [5]. Da quest’ultimo punto di vista risulta
essenziale definire non soltanto le procedure di prova, ma
anche il ciclo di lavoro che riproduce l’effettivo ambiente di
lavoro cui l’azionamento è destinato.
3.2.2 - Regime termico
Poiché il regime termico dell’azionamento nel suo complesso
non coincide con il regime termico dei differenti componenti
dell’azionamento stesso, nasce la necessità di definire il
regime termico dell’azionamento prendendo a riferimento per
tale definizione il componente caratterizzato dalla maggiore
inerzia termica. Inoltre è necessario individuare leggi che
consentano la estrapolazione dei risultati delle prove dalla
temperatura di misura alla temperatura massima ammessa
per il funzionamento.
3.2.3 - Complessità e onerosità delle prove
Le prove sull’intero azionamento possono risultare molto
complesse e onerose. Si pensi ad esempio alle prove a carico
che devono eseguirsi per diversi valori della velocità con il
massimo carico richiesto per ciascuna velocità, alle prove su
un azionamento plurimotore in cui ciascun singolo gruppo
convertitore-motore deve essere provato, alle prove su un
azionamento multiquadrante il cui funzionamento deve essere
validato su tutti e quattro i quadranti, alle prove di compatibilità
elettromagnetica che richiedono laboratori ed apparecchiature
di misura molto costosi.
Al fine di ridurre l’onere delle prove si può pensare di adottare
strategie di prova particolarmente adatte in presenza di
sistemi complessi, quali appunto gli azionamenti elettrici a
velocità variabile con elevate prestazioni, caratterizzati da
diverse variabili di interesse tra loro interagenti. Tali strategie,
basandosi sul così detto “Optimal Design of Experiments” [6],
consentono la determinazione delle caratteristiche esterne di
un azionamento, nell’intero campo di funzionamento di
velocità e di coppia, mediante un limitato numero di misure.
3.2.4 - Incompletezza delle Norme esistenti o mancanza di
normative specifiche
Queste problematiche nascono da un attento esame critico
delle prove di validazione delle caratteristiche nominali degli
azionamenti elettrici contenute nelle norme CEI EN 61800-1 e
CEI EN 61800-2, ovvero possono nascere da un’indagine
volta ad individuare i problemi riscontrati dai costruttori di
azionamenti elettrici nell’applicazione di tali norme con
riferimento alla esecuzione delle prove di validazione delle
caratteristiche nominali del PDS.
L’esame critico delle prove di validazione dei valori nominali
normate dalla CEI EN 61800-1 e dalla CEI EN 61800-2 ha
evidenziato alcuni problemi e carenze che vengono di seguito
riassunti.
Non sembra opportuno che tutte le prove di validazione dei
valori nominali del PDS siano da considerarsi prove speciali,
cioè prove aggiuntive a quelle di tipo e di serie, eseguite o a
discrezione del costruttore o in seguito ad accordo tra
costruttore e cliente.
Non vengono precisate adeguatamente le caratteristiche che
deve avere la strumentazione di misura da impiegare per il
rilievo delle caratteristiche nominali degli azionamenti elettrici.
Per la determinazione del rendimento la CEI EN 61800-1 e la
CEI EN 61800-2 prescrivono normalmente il metodo diretto
con misura della potenza meccanica mediante prove al freno,
prova dinamometrica, o prova di opposizione, o prova
calorimetrica, ovvero, qualora non risultasse possibile una
misura accurata dell'uscita dell’azionamento, il rendimento può
essere approssimato da calcoli (non precisati nella Norma)
effettuati congiuntamente alle prove di sistema. Nasce quindi il
problema di individuare i calcoli da effettuare congiuntamente
alle prove di sistema.
In realtà per la determinazione del rendimento esistono
problemi dovuti da un lato alla presenza di grandezze
deformate che modifica in modo significativo l’entità delle
perdite nei vari componenti, dall’altro alla individuazione del
metodo di prova più adatto in dipendenza del tipo e/o taglia
dell’azionamento. Sotto questo profilo, non sempre è possibile
utilizzare il metodo diretto per la determinazione del
rendimento, come accade ad esempio nel caso di azionamenti
di grossa taglia in cui risulta difficoltoso misurare con
precisione adeguata la potenza meccanica di uscita
dell’azionamento. D’altra parte il metodo calorimetrico richiede
complessi e costosi circuiti e la realizzazione di un particolare
layout per ciascun azionamento da provare.
In alternativa, seguendo quanto previsto dalla normativa
statunitense [7], per la determinazione del rendimento si
potrebbe ricorrere all'impiego del metodo di determinazione
delle
perdite
separate
per
i
diversi
componenti
dell’azionamento durante il suo funzionamento. A tale riguardo
particolare cura richiede la determinazione del rendimento del
convertitore statico di potenza e del motore.
Per la determinazione del rendimento del convertitore,
tipicamente quasi unitario, risulta essenziale che le misure
della potenza attiva in ingresso e in uscita siano effettuate con
elevata precisione.
Per la determinazione del rendimento del motore è opportuno,
inoltre, far ricorso a metodi indiretti basati su misure delle
grandezze di ingresso e sulla separazione delle perdite. A tal
riguardo in passato sono stati individuate e messe a punto due
metodologie di prova che si ritengono ancora valide. Una delle
due metodologie di prova consente la determinazione del
rendimento attraverso una prova a vuoto in regime di
alimentazione distorta e le usuali prove previste in regime
sinusoidale, l’altra si basa sulla esecuzione di prove solo con
alimentazione deformata [8]. Quest’ultima metodologia risulta
più facilmente praticabile in laboratori di prova non
specializzati, in quanto occorre disporre solo di condizionatori
di segnali e strumenti di misura (analizzatori di potenza) di
tensione, corrente e potenza con caratteristiche adeguate per
le misure su grandezze deformate.
Nel caso degli azionamenti elettrici per trazione, sia
automobilistica che a guida vincolata, è fortemente sentita
l’esigenza di individuare prove normate con particolare
riferimento
a
quelle
riguardanti
la
compatibilità
elettromagnetica, in quanto le prove EMC normate contenute
nella Norma CEI EN 61800-3 sono applicabili soltanto agli
azionamenti elettrici controllati con motori a corrente continua
e con motori a corrente alternata per applicazioni industriali.
Detta Norma, infatti, esclude espressamente gli azionamenti
elettrici di trazione dei veicoli elettrici, su gomma e a guida
vincolata, dal proprio campo di applicazione. Né, d’altro canto,
è pensabile, a causa delle peculiarità degli azionamenti
elettrici di trazione e della profonda diversità dell’ambiente
elettromagnetico di tali azionamenti rispetto a quello degli
azionamenti industriali, di poter facilmente mutuare dalla
Norma in questione le metodologie di misura o i limiti di
emissione.
Si comprende, quindi, la necessità di approfondimento e di
studio delle problematiche di misura delle emissioni
elettromagnetiche sia condotte che irradiate dagli azionamenti
di trazione dei veicoli elettrici, su gomma e a guida vincolata,
ai fini della messa a punto di una normativa specifica a cui
fare riferimento.
4 - BOZZA DI NORMA SULLA VALIDAZIONE DEI DATI DI
TARGA DEGLI AZIONAMENTI ELETTRICI MONOMOTORE ALIMENTATI IN C.A. A BASSA TENSIONE.
All'interno del Comitato Tecnico CEI 301/22G, un gruppo di
lavoro specifico si sta attualmente occupando della stesura di
una prima proposta di Norma inerente le Misure di Validazione
dei Dati di Targa degli Azionamenti Elettrici, così come definiti
dalla Guida precedentemente menzionata.
4.1 - Considerazioni generali
In linea generale, come evidenziato nel paragrafo 3, la scelta
di una metodologia standardizzata di verifica dei dati di targa
degli azionamenti pone un problema non banale di ricerca di
un punto di ragionevole compromesso fra la molteplicità di
aspetti funzionali e di possibili condizioni di funzionamento che
potrebbero teoricamente essere oggetto di verifica e la
necessità di mantenere entro limiti accettabili la durata e la
complessità esecutiva, e quindi i costi, delle prove stesse.
Quest'ultima esigenza risulta tanto più sentita quanto
maggiore è la taglia dell'azionamento considerato, in quanto
generalmente all'aumentare di quest'ultima diminuiscono i
volumi medi di produzione, sino ai casi estremi di
realizzazione su commessa di pezzi praticamente unici, sia
pure solitamente derivanti dalla customizzazione di progetti
general-purpose sviluppati precedentemente.
D'altro canto, premesso che le parti possono comunque
concordare l’esecuzione di specifiche prove addizionali (CEI
EN 61800-1/-2), è ormai sentita, sia a tutela dell'acquirente
dell'azionamento che dell'effettivo utilizzatore finale del
macchinario di cui andrà a far parte, la necessità di definire un
insieme minimale di prove obbligatorie di validazione delle
prestazioni dichiarate e dei principali aspetti che garantiscono
il funzionamento in sicurezza del sistema. Peraltro, anche i
produttori più sensibili ed evoluti hanno cominciato ad
avvertire l’importanza di questo aspetto, e stanno quindi
iniziando a dotarsi di banchi prova opportunamente attrezzati
per permettere l’esecuzione di prove dirette su azionamenti
completi, anche di rilevante potenza [9].
Il problema consiste quindi nel determinare l’insieme minimale
di prove da rendere obbligatorie e nel definire le modalità con
cui effettuarle, incluso il livello di dettaglio nella verifica delle
prestazioni e la precisione richiesta nella misura delle
grandezze di interesse.
Mentre per quanto concerne gli aspetti di sicurezza basilari, la
verifica sperimentale obbligatoria è parsa imprescindibile per
ovvi motivi, la scelta della modalità di verifica degli aspetti
prestazionali è stato oggetto di un articolato dibattito in seno al
Comitato. Infatti, è stato evidenziato come il progredire delle
conoscenze nell’ambito della modellazione degli azionamenti
ed i sempre più potenti mezzi di calcolo a disposizione
permetterebbero di cominciare a prendere in considerazione
l’ipotesi di effettuare verifiche sia attraverso metodi indiretti,
come già accade da tempo nel campo delle macchine
elettriche, sia, almeno in parte, attraverso simulazioni,
naturalmente da condursi secondo procedure ben definite.
Tuttavia, al momento non risultano essere state ancora
individuate modalità largamente accettate per l’esecuzione di
verifiche su azionamenti tramite metodi indiretti, e sussistono
dubbi sul fatto che l’affidabilità degli strumenti di simulazione
abbia già raggiunto livelli tali da risultare accettabili per scopi
di certificazione.
4.2 - Impostazione adottata
In considerazione di quanto sopra illustrato, al momento è
stato ritenuto opportuno mantenere la prescrizione della
verifica diretta sperimentale almeno di alcuni punti significativi
di funzionamento a regime stazionario, tra i quali in particolare
quelli alla velocità operativa minima prevista, a quella
nominale e a quella massima, con coppia erogata pari a quella
massima prevista per tali punti di funzionamento.
Obiettivo primario di detti test è quello di verificare la capacità
dell’azionamento in prova di fornire le prestazioni dichiarate ai
limiti del campo di utilizzo nominale, in termini di coppiavelocità, senza eccedere in alcun caso la velocità massima
ammissibile, senza manifestare surriscaldamenti eccessivi,
senza produrre errori superiori al consentito per la grandezza
meccanica di uscita controllata e senza violare i limiti di
squilibrio, di fattore di potenza e di distorsione previsti sul lato
alimentazione.
Inoltre, stante il fatto che, in pratica, per molti azionamenti
elettrici, quali ad esempio quelli usati nei servomeccanismi
industriali, la tipica modalità di impiego consiste in una
continua successione di transitori controllati, è parso
ragionevole prevedere anche l'esecuzione di un limitato
numero di test in regime dinamico, scelti in modo tale da
riprodurre alcune delle condizioni di funzionamento più
gravose previste.
In particolare, sono stati individuati come significativi i test di
accelerazione brusca dalla velocità nulla a quella massima e
di successiva frenatura rapida fino all’arresto, assumendo in
entrambi i casi per il momento di inerzia equivalente dei
carichi meccanici un valore relativo ragionevolmente elevato in
rapporto a quello del motore stesso.
Scopo principale dei test dinamici previsti consiste nel
verificare che, in presenza di bruschi transitori legati a
variazioni a gradino della grandezza di riferimento e/o della
coppia di carico, i livelli delle correnti scambiate con la rete
non eccedano comunque i limiti massimi indicati dalla Guida
per i diversi tipi di funzionamento previsti.
Per quanto concerne le condizioni di esecuzione delle prove, è
stato ritenuto che la verifica completa del corretto
funzionamento dell'azionamento al variare dei parametri di
alimentazione, sotto i profili di ampiezza, simmetria, frequenza
e distorsione delle tensioni, avrebbe comportato un onere
eccessivo, sia dal punto di vista delle attrezzature richieste
che da quello della durata delle prove. Pertanto, è stato
adottato il principio di richiedere che le prove stesse debbano
essere svolte solo per tensione efficace media di
alimentazione pari al valore minimo ammissibile indicato nella
Guida, che costituisce sotto questo aspetto la condizione di
funzionamento meno favorevole, mentre per i parametri di
frequenza, simmetria e distorsione armonica è stato ritenuto
sufficiente che gli stessi rientrino entro le bande di
ammissibilità indicate dalla Guida stessa.
Analogamente, per limitare la durata delle prove e le
caratteristiche delle attrezzature necessarie, è stato adottato il
principio che i test debbano essere eseguiti solo in presenza
di temperatura ed umidità ambientali corrispondenti ai valori
massimi previsti dalla Guida, in modo tale da emulare le
condizioni di raffreddamento più gravose in cui l’azionamento
potrebbe doversi trovare ad operare.
Per analoghi motivi è stato anche adottato il criterio di limitarsi
a prescrivere che il livello delle vibrazioni meccaniche
riscontrate durante le prove risulti di intensità non superiore al
massimo ammissibile indicato dalla Guida.
Infine, nella stessa ottica, la verifica della funzionalità delle 4
tipologie di interfacce di comunicazione potenzialmente
presenti negli azionamenti elettrici è stata limitata alla
constatazione della corretta risposta per l’interfaccia di più alto
livello effettivamente implementata, della quale viene
prescritto l'impiego durante le precedenti prove per
l'impostazione della variabile di riferimento, mentre per le altre
eventualmente presenti è attualmente allo studio un opportuno
insieme di test specifici, mirati ad una verifica funzionale di
massima che risulti di rapida e poco onerosa esecuzione.
4.3 - Strutturazione della bozza di Norma.
Per la formulazione delle proposte di standardizzazione delle
prove di validazione dei dati di targa, la prima categoria presa
in considerazione dal gruppo di lavoro del CT 301/22G
precedentemente citato è stata quella degli azionamenti
elettrici mono-motore con alimentazione da linea in c.a. a
bassa tensione.
Per questa categoria di azionamenti, la Guida prevede che in
targa siano riportate le seguenti voci:
- dati identificativi del sistema e dei singoli componenti;
- quadranti di funzionamento sul piano C-Ω;
- modalità operative;
- condizioni di servizio;
- tipologia di convertitore e di motore;
- tensione nominale di alimentazione;
- numero di fasi dell’alimentazione;
- frequenza nominale di alimentazione;
- corrente assorbita dal lato alimentazione in condizioni
nominali;
- fattore di potenza minimo in ingresso in condizioni nominali;
- tipo di funzionamento;
- potenza nominale;
- coppia nominale;
- velocità nominale;
- velocità massima;
- tipologia di interfacce di comunicazione.
Per questa tipologia di azionamenti, allo stato di avanzamento
attuale dei lavori, la bozza di Norma sulla verifica dei dati di
targa risulta così articolata:
- un preambolo, in cui vengono definiti gli scopi del documento
e viene indicata l'obbligatorietà dell'esecuzione delle prove di
tipo descritte per ciascuna modalità di controllo prevista per
l'azionamento, fatta salva la libertà delle parti di concordare
ulteriori prove speciali;
- un articolo concernente l'esame preliminare a vista in
assenza di alimentazione;
- un articolo riguardante i requisiti minimi delle attrezzature e
della strumentazione da impiegare nell'esecuzione delle
prove;
- un articolo concernente le prove da effettuarsi in regime
stazionario, suddiviso in 2 commi relativi rispettivamente agli
azionamenti con controllo di velocità e a quelli con controllo
di coppia;
- un articolo concernente le prove da effettuarsi in regime
dinamico, anch'esso suddiviso in 2 commi relativi agli
azionamenti con controllo di velocità e a quelli con controllo
di coppia;
- un articolo concernente la verifica del corretto funzionamento
delle interfacce di comunicazione dell'azionamento, suddiviso
in 4 commi riguardanti il pannello comandi, le funzionalità di
telegestione ad alto livello, e quelle di telecontrollo a basso
livello, queste ultime nelle due varianti analogica e digitale.
4.4 - Attrezzature e strumentazione
Per quanto concerne le attrezzature necessarie per
l'esecuzione delle prove, la bozza di Norma prevede che
l’asse del motore debba essere meccanicamente accoppiato
ad un sistema controllabile che sia in grado di realizzare tutte
le condizioni di funzionamento previste. In pratica, poiché in
generale viene richiesto di emulare carichi sia di tipo attivo che
passivo ed aventi momenti di inerzia di entità correlata a
quella del motore in prova, tipicamente questo sistema sarà
costituito da un secondo azionamento elettrico capace di
prestazioni almeno pari a quelle dell'azionamento in prova,
tanto dal punto di vista dei valori di coppia massima e di
velocità nominale e massima, quanto dal punto di vista della
risposta dinamica.
Inoltre, viene richiesto che l’azionamento sia alimentato
attraverso attrezzature idonee a fornire la minima tensione di
alimentazione ammissibile stabilita dalla Guida, con
frequenza, distorsione armonica e grado di simmetria rientranti
all’interno dei limiti di ammissibilità indicati nella Guida stessa.
Viene altresì prescritto che le prove debbano essere eseguite
ponendo l’azionamento all’interno di una cella climatizzata in
grado di mantenere la temperatura e l’umidità ambientali ai
valori massimi previsti dalla Guida, e che il bancale ed i
sistemi di accoppiamento e bloccaggio meccanico impiegati
siano tali da contenere l’entità delle vibrazioni meccaniche
entro i limiti massimi indicati nella Guida stessa.
Infine, nella bozza viene prescritto che la misura dei valori
delle grandezze imposte e delle grandezze da verificare
debba essere eseguita utilizzando strumenti e trasduttori di
tipo, precisione e campo di frequenza adeguati a permettere la
verifica del rispetto delle bande di tolleranza previste per
ciascuna grandezza, nonché aventi sufficiente capacità di
registrazione temporale per il monitoraggio delle prove in
regime dinamico.
4.5 - Verifica a vista in assenza di alimentazione
La prima verifica prevista consiste nel controllare che non vi
siano rilevanti incompatibilità fra i dati riportati sulle targhe dei
singoli sottosistemi di potenza e fra questi e quelli indicati sulla
targa dell'azionamento; ad esempio, si dovrà verificare che la
potenza, la velocità nominale e la velocità massima indicate
sulla targa dell'azionamento non eccedano quelle riportate
sulla targa del motore.
4.6 - Prove in regime stazionario
4.6.1- Azionamenti con regolazione di velocità
In caso di azionamenti che prevedano la modalità di
funzionamento a coppia costante, la bozza prescrive che, per
ciascuno dei quadranti di funzionamento previsti dalla targa, si
debba impostare la velocità di riferimento ai 3 valori assoluti
pari a quella minima, a quella nominale e a quella intermedia
fra le due, applicando all’asse di uscita la coppia nominale in
verso concorde (per i quadranti II, IV) ovvero discorde (per
quadranti I, III) a quello di rotazione del motore, monitorando
nel contempo le temperature dei componenti di potenza del
sistema separatamente accessibili.
Nel caso che sia invece prevista la modalità di funzionamento
a coppia e potenza costante, la bozza prevede che per
ciascuno dei quadranti di funzionamento previsti dalla targa si
debba inoltre provvedere a impostare la velocità di riferimento
agli ulteriori 2 valori assoluti pari alla velocità massima e a
quella media fra quest’ultima e quella nominale, applicando
all’asse di uscita i corrispondenti valori assoluti di coppia, in
verso concorde (quadranti II, IV) ovvero discorde (quadranti
I, III) a quello di rotazione, tali da far scambiare al motore la
potenza meccanica nominale.
Al raggiungimento delle condizioni di regime stazionario,
anche dal punto di vista termico, per ciascuna delle suddette
condizioni di funzionamento la bozza prevede che debba
essere verificato quanto segue:
- le temperature degli avvolgimenti del motore e
dell’eventuale trasformatore di alimentazione, valutate
secondo la procedura descritta nelle Norme IEC relative
alle macchine elettriche, non oltrepassino i valori massimi
previsti dalle classi di isolamento indicate nelle rispettive
targhe;
- la temperatura del convertitore, valutata secondo la
procedura descritta nelle Norme IEC relative agli apparati
elettronici, risulti non superiore ai limiti massimi stabiliti
nelle Norme stesse;
- la media aritmetica dei valori efficaci delle correnti di linea
assorbite o erogate dall’azionamento non superi il valore
nominale per più di uno scarto limite attualmente in fase di
definizione;
- il valore della velocità misurato rientri all’interno della
banda di deviazione massima prevista dalle Norme sugli
azionamenti elettrici, e non superi in alcun caso il valore
massimo di targa per più di uno scarto limite attualmente
in fase di definizione;
- per la sola condizione di funzionamento nominale, il
fattore di potenza dell’azionamento, valutato come
indicato dalla Guida, non sia inferiore al valore riportato
nella targa dell’azionamento.
4.6.2 - Azionamenti con regolazione di coppia
In caso di azionamenti che prevedano la modalità di
funzionamento a coppia costante, la bozza prescrive che, per
ciascuno dei quadranti di funzionamento previsti dalla targa, si
debba impostare la coppia di riferimento al valore nominale,
portando quindi il motore a ruotare ai 3 valori assoluti di
velocità pari a quella minima, a quella nominale e a quella
intermedia fra le due, con verso concorde (quadranti I, III)
ovvero discorde (quadranti II, IV) rispetto a quello della coppia
impostata, monitorando nel contempo le temperature dei
componenti di potenza del sistema separatamente accessibili.
Qualora invece la modalità di funzionamento dell’azionamento
sia a coppia e potenza costante, la bozza prevede che per
ciascuno dei quadranti di funzionamento previsti dalla targa si
debba inoltre portare il motore a ruotare ai 2 ulteriori valori di
velocità pari a quella massima e quella intermedia fra
quest’ultima e quella nominale, in verso concorde (quadranti
I, III) o discorde (quadranti II, IV) a quello della coppia di
riferimento, impostandone corrispondentemente il valore in
modo tale da far erogare o assorbire al motore la potenza
meccanica nominale.
Al raggiungimento della situazione di regime stazionario, per
ciascuna delle suddette condizioni di funzionamento viene
prescritto che debba essere verificato quanto segue:
- le temperature degli avvolgimenti del motore e
dell’eventuale trasformatore di alimentazione, valutate
secondo la procedura descritta nelle Norme IEC relative
alle macchine elettriche, non oltrepassino i valori massimi
previsti dalle classi di isolamento indicate nelle rispettive
targhe;
- la temperatura del convertitore, valutata secondo la
procedura descritta nelle Norme IEC relative agli apparati
elettronici, risulti non superiore ai limiti massimi stabiliti
nelle Norme stesse;
- la media aritmetica dei valori efficaci delle correnti di linea
assorbite o erogate dell’azionamento non superi il valore
nominale per più di uno scarto limite attualmente in fase di
definizione;
-
il valore misurato della coppia di uscita rientri all’interno
della banda di deviazione massima prevista dalle Norme
sugli azionamenti elettrici;
- per la sola condizione di funzionamento nominale, il
fattore di potenza dell’azionamento, valutato come
indicato dalla Guida, non sia inferiore al valore riportato
nella targa dell’azionamento.
Inoltre, per testare il corretto funzionamento della limitazione
di sovravelocità, la bozza di Norma prescrive che si debba
provvedere ad impostare la coppia di riferimento al valore
nominale e a verificare che in regime di libera rotazione la
velocità del motore non superi in alcun caso il valore massimo
di targa per più di uno scarto limite attualmente in fase di
definizione, ripetendo la prova per entrambi i versi di coppia di
riferimento qualora sia previsto il funzionamento anche nei
quadranti III e/o IV.
4.7 - Prove in regime dinamico
4.7.1 - Azionamenti con regolazione di velocità
La bozza prevede che questa prova debba essere eseguita
per ciascuno dei versi di rotazione previsti e debba essere
ripetuta per un numero di volte attualmente in fase di
definizione, con intervalli di riposo massimi fra test successivi
aventi parimenti durata da definire.
La procedura prescritta consiste nell’impostare, con modalità
“a gradino” e a motore fermo, la velocità di riferimento al
valore assoluto massimo di targa e nel rilevare il susseguente
transitorio di accelerazione sino al raggiungimento della
situazione di regime meccanico, in condizioni di carico
emulato avente momento di inerzia equivalente pari ad un
numero prefissato di volte, in fase di definizione, quello del
rotore del motore, con coppia frenante correlata alla velocità
secondo una opportuna relazione predefinita, per la quale è
stata proposta la legge:
T(n) = 0.5·(PN/nM)·(1+n/nM)
dove: T = modulo della coppia effettiva all’asse della
macchina, n = modulo della velocità effettiva, PN = potenza
nominale di targa e nM = velocità massima di targa
dell’azionamento.
Qualora l’azionamento in prova preveda anche il
funzionamento in frenatura (quadranti II e/o IV), la bozza
prescrive che, raggiunta la condizione di regime meccanico, la
velocità di riferimento debba essere impostata, con procedura
a gradino, al valore nullo, la coppia frenante del carico
meccanico emulato debba essere simultaneamente azzerata
e venga rilevato il susseguente transitorio di decelerazione del
sistema fino all’arresto.
La verifica prescritta consiste nel controllare che durante tutta
la durata dei suddetti transitori la media aritmetica dei valori
efficaci delle correnti di linea assorbite o erogate
dall’azionamento, calcolati su ciascun periodo alla frequenza
di rete, non superi:
- il valore massimo in assorbimento, come definito dalla
Guida, durante le fasi di accelerazione nonché durante quelle
di frenatura secondo la modalità in controcorrente oppure
dissipativa, qualora previste;
- il valore massimo in recupero, come definito dalla Guida,
durante le fasi di frenatura effettuata in modalità rigenerativa,
qualora prevista.
In caso sia prevista la modalità di frenatura dissipativa,
adottando la prescrizione contenuta nelle Norme CEI 618001/2, la bozza richiede inoltre di verificare che, salvo diverso
accordo fra committente e fornitore, durante il transitorio di
decelerazione la media aritmetica dei valori efficaci delle
correnti di fase del motore raggiunga un livello pari al 110%,
125% o 150% della corrente nominale, a seconda del livello di
sovradimensionamento adottato per il convertitore rispetto al
motore, e che la temperatura del reostato di dissipazione non
superi il valore massimo ammissibile.
4.7.2 - Azionamenti con regolazione di coppia
La bozza prevede che questa prova debba essere eseguita
per ciascuno dei versi di rotazione previsti e debba essere
ripetuta per un numero di volte attualmente in fase di
definizione, con intervalli di riposo massimi fra test successivi
aventi parimenti durata da definire.
La procedura prescritta consiste nell’impostare, con procedura
a gradino e a motore fermo, la coppia di riferimento al valore
assoluto dato da:
T = PN/nM
e nel rilevare il susseguente transitorio di accelerazione sino al
raggiungimento della situazione di regime meccanico, in
condizioni di carico emulato avente momento di inerzia
equivalente pari ad un numero di volte prefissato, attualmente
in fase di definizione, quello del rotore del motore, con coppia
frenante correlata alla velocità secondo una opportuna
relazione predefinita, per la quale è stata proposta la legge:
T(n) = 0,5·(PN/nM)·(1+n/nM)
Qualora sia previsto anche il funzionamento in frenatura
(quadranti II e/o IV), raggiunta la condizione di regime
meccanico, la coppia di riferimento deve essere impostata,
con procedura a gradino, al valore nominale con verso
opposto a quello precedentemente impostato. La coppia
frenante del carico meccanico emulato deve essere
contemporaneamente azzerata e deve essere rilevato il
susseguente transitorio di decelerazione del sistema fino
all’arresto.
Deve essere verificato che durante tutta la durata dei suddetti
transitori la media aritmetica dei valori efficaci delle correnti di
linea assorbite o erogate dell’azionamento, calcolati su
ciascun periodo alla frequenza di rete, non superi:
- il valore massimo in assorbimento, come definito dalla
Guida, durante le fasi di accelerazione nonché durante
quelle di frenatura secondo la modalità in controcorrente
oppure dissipativa, qualora previste;
- il valore massimo in recupero, come definito dalla Guida,
durante le fasi di frenatura effettuata in modalità
rigenerativa, qualora prevista.
In caso sia prevista la modalità di frenatura dissipativa,
adottando la prescrizione contenuta nelle Norme CEI 618001/2 viene inoltre prescritto di verificare che, salvo diverso
accordo fra committente e fornitore, durante il transitorio di
decelerazione la media aritmetica dei valori efficaci delle
correnti di fase del motore raggiunga un livello pari al 110%,
125% o 150% della corrente nominale, a seconda del livello di
sovradimensionamento adottato per il convertitore rispetto al
motore, e che la temperatura del reostato di dissipazione non
superi il valore massimo ammissibile.
4.8 - Prove relative alle funzionalità di comunicazione
La bozza di Norma prende in considerazione 4 diverse
tipologie di possibili interfacce di comunicazione per
azionamenti elettrici, che in ordine decrescente di livello sono
costituite da pannelli comandi per l'operatore, da sistemi di
telegestione software su canale digitale non operanti in tempo
reale, da sistemi di controllo software a basso livello su porta
di comunicazione digitale operanti in tempo reale, e da porte
di segnale analogiche e/o a stati.
Per la verifica delle rispettive funzionalità, la bozza prevede
che:
- l'interfaccia di più alto livello di cui l'azionamento in prova è
effettivamente dotato venga testata utilizzandola per
l'impostazione delle grandezze di riferimento e la
visualizzazione dello stato durante le prove precedentemente
descritte, predisponendo eventualmente idonei sistemi
informatici o analogici esterni in grado di comunicare
correttamente e compiutamente con l'interfaccia stessa in
base a quanto specificato dal fornitore;
- la verifica funzionale delle ulteriori interfacce di più basso
livello, di cui l'azionamento fosse eventualmente dotato,
venga eseguita attraverso ulteriori specifiche prove, che sono
attualmente in fase di definizione.
CONCLUSIONI
In questa memoria è stata riassunta ed analizzata criticamente
la situazione normativa sugli azionamenti elettrici, che risulta
ancora oggi non consolidata e per diversi aspetti lacunosa, sia
a livello nazionale che internazionale.
Sono state illustrate anche le problematiche peculiari relative
all’esecuzione di misure e prove di caratterizzazione degli
azionamenti elettrici, evidenziando come esse risultano
correlate a diversi aspetti, quali la complessità fisica e
funzionale del sistema, l’onerosità delle prove, la mancanza di
normative specifiche e l’incompletezza di quelle esistenti.
E’ stato infine illustrato lo stato di avanzamento dell'attività del
gruppo di lavoro che, in seno al Comitato Tecnico CEI
301/22G, si sta occupando dell’elaborazione di una bozza di
Norma inerente le Misure di Validazione dei Dati di Targa degli
Azionamenti Elettrici, così come definiti dalla Guida elaborata
dallo stesso Comitato. A questo riguardo è stata descritta
dettagliatamente la bozza di normativa già messa a punto,
concernente gli azionamenti mono-motore con alimentazione
da linea in c.a. a bassa tensione, illustrando i criteri adottati
nella fase di elaborazione e le procedure di prova prescritte,
con riferimento sia al regime stazionario sia a quello dinamico.
BIBLIOGRAFIA
[1] “Dizionario sugli Azionamenti Elettrici” (Norma Italiana CEI
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Interattivo sugli Azionamenti Elettrici, Bressanone 2002.