Azionamenti Elettrici


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Il motore a collettore in corrente continua : com'è fatto e come funziona

Con motore in corrente continua si è soliti indicare una macchina elettrica a collettore in corrente continua funzionante come motore, in grado cioè di trasformare energia elettrica in energia meccanica ; la stessa macchina può comunque funzionare anche come dinamo, quando riceve potenza meccanica (ad esempio trainata da un altro motore) e restituisce potenza elettrica, e come freno , quando riceve sia energia elettrica che meccanica e le dissipa sotto forma di calore.

Nella sezione di una macchina in corrente continua a collettore possiamo individuare tre parti costitutive , come evidenziato nel disegno a fondo pagina ( figura 1 ) :

1. Lo statore (in verde in figura 1 ), solitamente realizzato in ferro omogeneo, che con le sue espansioni polari (due in figura ) deve generare un campo magnetico il più possibile uniforme. Nei motori in corrente continua i poli Nord e Sud sono ottenuti avvolgendo sulle espansioni un circuito di eccitazione percorso dalla corrente di eccitazione Ie ; nei motori a magneti permanenti l’avvolgimento di eccitazione non è presente, perché lo statore è costituito appunto da una calamita e quindi è possibile controllare il motore solo sulla tensione o sulla corrente di armatura.

2. Il rotore (in rosa in figura 1 ), che è invece in ferro lamellare : le lamelle sono separate da un isolante per aumentare la resistenza elettrica e diminuire quindi le correnti parassite indotte per magnetizzazione. Nel rotore sono ricavate delle cave su cui alloggiano i conduttori del circuito di armatura; si tratta di un’unica spira, opportunamente intrecciata in modo che le correnti entranti e uscenti si sistemino rispetto all’asse delle spazzole come indicato in figura 1: tutte le correnti entranti a destra dell’asse e tutte le correnti uscenti alla sinistra.

3. Il collettore ( in celeste in figura 1 ), le cui spazzole realizzano un contatto strisciante con le lamelle di terminazione dei conduttori del rotore; le spazzole sono in grafite e le lamelle in ferro dolce, così che si usurino solo le prime, meno costose e più semplici da sostituire.

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Ridurre lo spunto dei motori elettrici : Stella/triangolo , soft starter , inverter , reostati e reattanze

Uno dei principali problemi nell'utilizzo industriale dei motori elettrici , soprattutto quelli asincroni trifase che sono tra i più diffusi , è la corrente di spunto . Infatti all'avvio del motore ( e in ogni transitorio che preveda fasi ON/OFF ) il motore assorbe una corrente che può arrivare anche a 8:10 volte la corrente a regime , a seconda delle caratteristiche del motore e della macchina su cui è montato , che può prevedere un avvio a vuoto o parzialmente sotto carico.

Questo può determinare diversi problemi al sistema che eroga la potenza al motore : dimensionamento delle linee e degli interruttori ( che possono aprire il circuito se le curve dei magnetotermici non sono adatte a certi sovraccarichi ) , necessità di impegnare una potenza maggiore con l'ente erogatore ( quota fissa in bolletta ) o , nel caso il motore sia alimentato in condizioni ordinarie o di emergenza da un generatore elettrico , anche l'impossibilità di avviare il l'apparecchiatura che utilizza il motore ( compressore , pompa , condizionatore , ecc )  se la potenza meccanica del gruppo elettrogeno è inferiore alla potenza richiesta allo spunto.

Per tutti questi motivi , sono stati studiati diversi metodi più o meno elaborati per ridurre il coefficiente di spunto del motore. Vediamone alcuni :

1) Impedenze variabili ( resistenze o reattanze variabili ) :

- nei motori a rotore avvolto , potendo accedere al circuito rotorico , viene inserito un reostato di avviamento in serie a ciascuna fase di tale circuito. Dimensionando opportunamente il valore di tale resistenza , si può ottenere anche un avvio con buoni valori della coppia motrice. Il reostato , completamente inserito al momento dell'avviamento mediante delle spazzole , verrà gradualmente disinserito , mentre il rotore accelera. Alla fine della manovra verrà ripristinato il cortocircuito agli anelli , sollevando le spazzole del circuito reostatico al fine di ridurre le perdite per attrito.

- nei motori in cui il rotore è in cortocircuito e non accessibile ( motori a gabbia semplice ) , non potendo accedere al circuito rotorico , vengono inserite delle impedenze statoriche che , con la loro caduta di tensione , limitano la tensione al motore. In questo modo viene però anche ridotta la coppia di avviamento , che viene aumentata gradatamente insieme alla tensione fino a disinserire i resistori ad avviamento terminato . I motori asincroni più diffusi sono quelli con rotore a gabbia semplice , in cui l'avvolgimento rotorico è costituito da sbarre collegate frontalmente da due anelli conduttori che determinano perennemente il corto circuito dell'avvolgimento.

Si è parlato genericamente di impedenze , perché si può ricorrere sia a resistenze che reattanze , ciascuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi :

- le resistenze causano perdite per effetto Joule
- le reattanze abbassano ulteriormente il fattore di potenza

Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )
Un esempio di reattanza trifase per avviamento motore ( fonte CTA SRL )

2) Avviamento stella-triangolo :

anche l'avviamento con commutazione stella-triangolo rientra nelle tecniche di avviamento con riduzione della tensione. Infatti nel motore in cui le fasi statoriche sono collegate a stella , viene predisposto un commutatore che , alla partenza , li collega a stella . In questo modo :

- la tensione di alimentazione di ogni fase risulta √3 volte inferiore a quella con collegamento ordinario a triangolo
- la corrente di spunto si riduce di 1/3 rispetto a quella che si avrebbe con inserzione diretta ( collegamento a triangolo )
- anche la coppia motrice si riduce di 1/3

Come per i reostati , al termine della fase di avviamento , il commutatore torna nella posizione di regime , facendo in modo che le fasi statoriche tornino ad essere collegate a triangolo. L'avviamento stella triangolo ha avuto una grande diffusione prima dell'avvento dei dispositivi a semiconduttore come Softstarter e Inverter , perché è di semplice realizzazione ed è utilizzato per motori di media e piccola potenza , fino a qualche centinaio di kW.

3) Soft-Start : 

anche i softstarter ( detti anche avviatori statici ) rientrano tra le metodologie di avviamento che riducono la tensione rispetto all'avvio diretto , ma grazie all'impiego dei semiconduttori di potenza e spesso all'integrazione a bordo di dispositivi logici , permette il ricorso a tecniche più complesse dell'avviamento stella-triangolo o delle impedenze.

L'avviamento viene effettuato ad esempio con una rampa di tensione di cui si può programmare il valore iniziale , il tempo di accelerazione ( ascesa della rampa ) , la coppia iniziale. Questo permette un avviamento dolce e graduale che riduce lo stress meccanico e gli strappi. La stessa funzionalità può essere impiegata per la decelerazione , che impedisce arresti troppo bruschi del motore che possono essere svantaggiosi in diverse applicazioni come nastri trasportatori e pompe ( colpo d'ariete ). Altre funzionalità che integrano gli avviatori statici soft start sono :

- contattore di by-pass che esclude l'intero avviatore quando il motore è stato avviato , riducendo le perdite per effetto joule sui semiconduttori
- protezione termica del motore
- moduli di comunicazione bus per il controllo remoto

Il vantaggio dei softstart è anche quello di non essere eccessivamente costosi : per avere una panoramica dei prezzi in base alle potenze e alle funzionalità , consulta l'apposita sezione del nostro catalogo sugli azionamenti elettrici .


Un softstarter della Schneider Electric : sono ben visibili le regolazioni per la tensione iniziale e il tempo iniziale e finale della rampa 

4) Inverter :

il principio di avviamento dei motori asincroni con gli inverter è la tipologia decisamente più avanzata e quindi più costosa rispetto alle precedenti. Un inverter è infatti un convertitore statico di frequenza , pertanto il controllo dell'avviamento avviene modificando non solo la tensione ma anche la frequenza.

In un motore asincrono , infatti , la regolazione della velocità può essere realizzata variando la frequenza della tensione di alimentazione , perché la la velocità di rotazione del campo magnetico rotante varia proporzionalmente alla frequenza :

ns=60*f/p dove p è il numero di poli

In particolare , poiché la coppia del motore è proporzionale al rapporto tra la tensione e la frequenza [ CM≈K*(V/f) ] , potendo agire su entrambi questi parametri in modo da mantenere il rapporto più possibile costante , l'avviamento tramite inverter ha il grande vantaggio di poter effettuare un avviamento senza riduzione della coppia motrice.

Altri vantaggi sono che , essendo il convertitore un dispositivo elettronico che riceve in ingresso corrente alternata , la raddrizza e poi la trasforma nuovamente in corrente alternata di frequenza e tensioni diverse , all'ingresso il fattore di potenza è molto alto ( superiore a 0.9 ) e non è necessario rifasamento. Per contro , questa operazione comporta la generazione a monte di disturbi elettromagnetici sotto forma di armoniche , che vanno opportunamente filtrate per non portare ripercussioni alla rete dell'ente erogatore.

In generale il controllo dell'avviamento dell'avviamento di un motore asincrono tramite inverter può essere visto come un caso particolare di controllo della velocità : l'inverter viene impiegato in quelle applicazioni dove il controllo della velocità del motore deve essere tenuto sempre sotto controllo e , a differenza del softstart , non viene disinserito una volta terminato l'avviamento , ma il driver continua a fornire al motore i parametri di funzionamento.

Il controllo di velocità tramite inverter è un argomento molto più ampio e complesso del solo avviamento , così ampio che sarà trattato in una sezione a parte : si pensi ad esempio che oltre agli inverter che permettono il controllo V/f , detti inverter scalari , ci sono oggi sul mercato anche gli inverter vettoriali che oltre alle variabili tensione e frequenza permettono di controllare direttamente la coppia del motore , rendendo via via i motori asincroni concorrenziali coi motori in corrente continua nelle applicazioni di automazione industriale avanzata , dove è richiesta notevole precisione.

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L'inverter : cos'è , a cosa serve e in quali applicazioni viene impiegato .

Se sei arrivato in questa pagina alla ricerca del significato della parola inverter , il tuo ambito di provenienza potrebbe essere talmente ampio da abbracciare quasi ogni campo dell'elettronica. Gli inverter non sono altro che dei convertitori statici DC/AC , cioè dispositivi capaci di convertire una tensione continua in una alternata : trovano applicazione in moltissimi campi della nostra vita quotidiana. Dopo aver brevemente spiegato come funziona un inverter , ne vedremo alcune applicazioni , senza la pretesa di esaurirle tutte .

Un inverter rientra nella categoria dei convertitori statici : un convertitore è un dispositivo che riceve una grandezza elettrica in ingresso e ne restituisce in uscita una con determinate caratteristiche di forma d'onda , tensione e frequenza . A seconda che la tensione in ingresso o in uscita sia continua o alternata , possiamo distinguere :

- convertitore AC/DC , detto anche raddrizzatore
- convertitore DC/AC , detto appunto Inverter
- convertitore DC/DC , detto chopper
- convertitore AC/AC

I convertitori statici vengono detti tali perché , grazie all'introduzione dei dispositivi a semiconduttore , non necessitano di parti meccaniche in movimento come succedeva i convertitori elettromeccanici ( o convertitori rotanti ) , che erano delle macchine elettriche impiegate per ottenere le stesse funzioni prima dell'avvento dei semiconduttori.

Un inverter è solitamente costituito da una elettronica di comando e da una elettronica di potenza. L'elettronica di potenza è quella che , attraverso switch a semiconduttore opportunamente comandati e collegati , permette di ottenere la forma d'onda sinusoidale o simil-sinusoidale dell'ampiezza e della frequenza desiderate. L'elettronica di comando è quella che permette di generare i segnali di commutazione degli switch per regolare i parametri della forma d'onda in uscita.

A determinare le caratteristiche dell'elettronica di potenza sono :

- il tipo di forma d'onda che si vuole ottenere . Vi sono infatti inverter a forma sinuosoidale pura , in cui la forma d'onda si discosta da una sinusoide entro uno scostamento molto limitato e inverter a forma d'onda pseudosinusoidale o "sinsusoidale modificata" , in cui la forma d'onda sinusoidale è approssimata tramite dei gradini e più prossima a un'onda quadra che a una sinusoide

- il range di frequenza ( in Hz ) e il range di potenza ( in VA o kW ) . Questi parametri determinano il tipo di semiconduttore utilizzato , in quanto ve ne sono di più adatti a lavorare a basse frequenze ed alte potenze come i Triac o Tiristori ed altri più adatti a lavorare ad alte frequenze ma potenze più basse ( Mosfet , IGBT , Transistor ) . Un componente con buone prestazioni sia in potenza che in frequenza è il GTO , che risulta infatti uno dei componenti più utilizzato nella realizzazione degli inverter.

L'elettronica di comando , invece , dipende dal grado di controllo che si vuole avere su tensione e frequenza della forma d'onda in uscita. Vi sono infatti applicazioni in cui la frequenza di uscita deve essere stabile e costante ed altre in cui tensione , e soprattutto frequenza , sono parametri di comando di motori o altre apparecchiature elettriche.

Tra le applicazioni a frequenza costante ci sono tutti gli inverter utilizzati per alimentare apparecchiature elettriche a partire da batterie o tensioni costanti , ad esempio :

- i  Gruppi di Continuità - UPS ;
- gli alimentatori da collegare alla batteria degli autoveicoli ;
- gli alimentatori delle lampade di emergenza , che a partire da batterie locali ricreano la tensione di alimentazione sinusoidale in caso di assenza della tensione di linea ;
- gli inverter fotovoltaici ( i moduli fotovoltaici producono infatti tensione continua ) .

Gli inverter che invece agiscono variando la frequenza sono tutto il "mondo" degli azionamenti  e in particolare :

- automazione industriale , in cui trovano una grandissima applicazione e un livello di sviluppo sempre più accurato : si pensi , a proposito della complessità della logica di comando , che è sempre più frequente trovare inverter che abbiano a bordo integrato un controllore PID , cioè a regolazione proporzionale , integrale e derivativa rispetto allo scostamento dal valore dell'uscita da controllare
- comando dei motori elettrici ; anche laddove i motori elettrici non facciano parte di sistemi di automazione in cui la velocità vada controllata per gestire spostamenti e posizioni , l'uso dell'inverter è comunque molto utile nelle fasi di transitorio , perché riducono notevolmente gli spunti di avvio delle macchine ( fase di avviamento e di frenatura ).

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