Azionamenti elettrici

A. Costantini | (la videolezione) Per azionamento elettrico si intende 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. Negli azionamenti 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.

L’elemento che provvede ad alimentare il motore elettrico in modo da produrre le caratteristiche di moto richieste con le prestazioni desiderate è il convertitore statico. 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 pratica, 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).

Il dispositivo di controllo (controller) è 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. Gli azionamenti di elevate prestazioni sono del tipo a ciclo chiuso, detti anche servo-azionamenti. 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 controller. Il controllo a ciclo chiuso è adottato quando con un azionamento a ciclo aperto 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.