L`Azionamento elettrico come sistema

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 MOTORE ELETTRICO
IL CONVERTITORE STATICO DI POTENZA
IL DISPOSITIVO DI 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 DI
ALIMENTAZIONE
PRIMARIA
DISPOSITIVO
DI
CONTROLLO
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
MOTORE
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) 28/02/01 22.49
2
Cap. 1 L’Azionamento elettrico come sistema
1.2.1
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:
CR
MOTORE ELETTRICO
Ce
PARTE
ELETTROMAGNETICA
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.
Convertitore statico di potenza
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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).
1.2.2
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
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 DI
ALIMENTAZIONE
PRIMARIA
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
MOTORE
ELETTRICO
MACCHINA
AZIONATA
(b) funzionamento da generatore con recupero
SORGENTE DI
ALIMENTAZIONE
PRIMARIA
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
MOTORE
ELETTRICO
MACCHINA
AZIONATA
(c) funzionamento da generatore con dissipazione
SORGENTE DI
ALIMENTAZIONE
PRIMARIA
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
MOTORE
ELETTRICO
MACCHINA
AZIONATA
DISSIPATORE
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)
Convertitore statico di potenza
5
collegati a realizzare strutture di conversione secondo diversi tipi di schemi circuitali1.
1.3.1
Tipologie di convertitori
Dal punto di vista funzionale si hanno le seguenti tipologie di convertitori:
-
Il CONVERTITORE 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 CONVERTITORE 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 CONVERTITORE 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 CONVERTITORE 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 CONVERTITORE 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.
Vdc costante
V̂ , f costante
Raddrizzatore
Fig. 1.4 – Convertitore AC/DC
Vdc variabile
V̂ , f costante
Raddrizzatore controllato
α
α
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
Cap. 1 L’Azionamento elettrico come sistema
Vdc costante
Vdc variabile
Chopper
α
α
Fig. 1.6 – Convertitore DC/DC
Vdc costante
V̂ , f variabile
Inverter
α
α
Fig. 1.7 – Convertitore DC/AC
V̂ , f costante
V̂ , f variabile
Convertitore
di frequenza
α
Fig. 1.8 – Convertitore AC/AC
1.3.2
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. 1.9.
SORGENTE
DI
ALIMENTAZIONE
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
DISPOSITIVO
DI
PROTEZIONE
Fig. 1.9 – Dispositivi di protezione
SENSORI
DI
GUASTO
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”).
1.4.1
Controllo in catena aperta
DISTURBI
yR
y
LEGGE
DI
CONTROLLO
CONVERTITORE
DI
POTENZA
MOTORE
CARICO
SISTEMA CONTROLLATO
CATENA DIRETTA
Fig. 1.10 – 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
Cap. 1 L’Azionamento elettrico come sistema
1.4.2
Controllo in catena chiusa
DISTURBI
yR
LEGGE
DI
CONTROLLO
CONVERTITORE
DI
POTENZA
y
MOTORE
CARICO
TRASDUTTORE
O
SENSORE
CATENA DI CONTROREAZIONE
Fig. 1.11 – 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
(yR) 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
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
DI
RIFERIMENTO
yR
LEGGE
DI
CONVERTITORE
STATICO
DI POTENZA
CONTROLLO
UNITA’ DI I/O
y
Fig. 1.12 – 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 DI
ALIMENTAZIONE
PRIMARIA
DISPOSITIVO
DI
CONTROLLO
CONVERTITORE
DI
POTENZA
MOTORE
ELETTRICO
DISPOSITIVO
DI
PROTEZIONE
TRASDUTTORI
E
SENSORI
Fig. 1.13 – Schema a blocchi di un azionamento elettrico
MACCHINA
AZIONATA
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)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
19)
20)
Fornire una possibile definizione di azionamento elettrico
Elencare gli elementi componenti un azionamento elettrico e descriverne le funzioni
Collegare in uno schema a blocchi i componenti di un azionamento elettrico descrivendo le
interazioni funzionali tra di essi
Fornire una possibile definizione di motore elettrico
Indicare in uno schema a blocchi le parti funzionali di un motore elettrico e le loro
interazioni
Quali sono le tipologie di motori maggiormente impiegate negli azionamenti elettrici e
come possono essere classificati ?
Cos’è un convertitore statico di potenza ?
Perché, in un azionamento elettrico, è necessario alimentare attraverso un convertitore
statico ?
Quali sono le sorgenti di energia primaria convenzionali per un azionamento ?
Descrivere i flussi di energia possibili in un azionamento elettrico.
Cosa si intende per funzionamento da generatore con recupero ?
Cosa si intende per funzionamento da generatore con dissipazione ?
Spiegare la funzione dei sensori di guasto in un azionamento elettrico
Rappresentare lo schema a blocchi del dispositivo di protezione del convertitore statico
Elencare e descrivere le caratteristiche fondamentali del controllo in catena aperta
Elencare e descrivere le caratteristiche fondamentali del controllo in catena chiusa
Cosa si intende per servo-azionamento ?
Descrivere le funzioni essenziali del dispositivo di controllo ed indicarle in uno schema a
blocchi
Come è realizzato un moderno dispositivo di controllo?
Disegnare e descrivere lo schema a blocchi di un azionamento elettrico con controllo in
controreazione
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. 1.10 – Schema del controllo in catena aperta ......................................................................................................... 7
Fig. 1.11 – Schema del controllo in catena chiusa ......................................................................................................... 8
Fig. 1.12 – Funzioni del dispositivo di controllo............................................................................................................. 9
Fig. 1.13 – Schema a blocchi di un azionamento elettrico............................................................................................. 9
Indice del capitolo
1
L’Azionamento elettrico come sistema .................................................................1
1.1
Definizione ed elementi di un azionamento elettrico ................................................ 1
1.2
Motore elettrico ............................................................................................................ 1
1.2.1
1.2.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.4
1.4.1
1.4.2
1.5
Struttura di un motore elettrico.............................................................................................2
Motori elettrici impiegati negli azionamenti..........................................................................3
Convertitore statico di potenza ................................................................................... 3
Tipologie di convertitori........................................................................................................5
Protezione del convertitore ...................................................................................................6
Dispositivo di controllo ................................................................................................. 7
Controllo in catena aperta ....................................................................................................7
Controllo in catena chiusa.....................................................................................................8
Schema a blocchi di un azionamento .......................................................................... 9
Test di apprendimento .............................................................................................................. 10
Indice delle figure e delle tabelle .............................................................................................. 11
Indice del capitolo ...................................................................................................................... 11