AZIONAMENTI PER MOTORE A C.C.

1. Macchineedazionamentielettrici AZIONAMENTI PER MOTORE A C.C.

2. INTRODUZIONE Definizione di AZIONAMENTO ELETTRICO (Norma CEI 301-1) Un azionamento elettrico è un sistema che converte energia elettrica in meccanica con l’ausilio di apparecchiature elettroniche di potenza in accordo con una funzione di comando.

3. SCHEMA DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO A CATENA APERTA Alimentazione Sistema da controllare L’azionamento a catena aperta comprende il motore (plant) e il relativo convertitore statico (actuator) che riceve dall’esterno l’alimentazione elettrica e i comandi necessari a fare in modo che le grandezze di uscita (es. velocità di rotazione del motore, ….) assumano i valori prefissati e possano essere modificate in base alle necessità dell’azionamento stesso.

4. SCHEMA DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO A CATENA CHIUSA Quando l’azionamento a catena aperta non permette di raggiungere la precisione voluta (a causa di disturbi che modificano il valore delle grandezze di uscita indipendentemente dai comandi di ingresso) si ricorre all’azionamento a catena chiusa.

5. SCHEMA DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO IN CATENA CHIUSA Il sistema di controllo (control unit) attuale è generalmente di tipo digitale, a microprocessore, e questo comporta la necessità di utilizzare convertitori A/D e D/A per interfacciare sistemi che forniscono segnali analogici con quelli che funzionano con segnali digitali.

6. CLASSIFICAZIONE DEGLI AZIONAMENTI ELETTRICI • Una classificazione degli azionamenti elettrici si può fare sulla base del tipo di motore utilizzato. • Abbiamo: • azionamenti di motori in c.c., • azionamenti di motori in c.a. (sincroni e asincroni). • Una classificazione degli azionamenti elettrici si può fare a seconda delle loro caratteristiche di impiego, ovvero sulla base del tipo di grandezza meccanica controllata. • Abbiamo: • azionamenti di posizione (per assi di macchine utensili o per robotica), • azionamenti di velocità (per mandrini di macchine utensili). • Una classificazione degli azionamenti elettrici si può fare sulla base del tipo di dinamica prevista (dinamica molto lenta, lenta, rapida, molto rapida).

7. MACCHINA IN C.C. Le macchine in c.c. rappresentano attualmente circa un 10% della produzione mondiale di macchine elettriche. La macchina in c.c. è costituita da due elementi principali: il rotore o armatura (parte meccanica in movimento) e lo statore (parte meccanica fissa). Possono essere presenti anche poli ausiliari o di commutazione e avvolgimenti di compensazione.

8. MACCHINA IN C.C. La macchina in c.c. è reversibile, cioè può funzionare sia come generatore o dinamo (trasformando energia meccanica in energia elettrica continua) che come motore (effettuando la trasformazione inversa). GENERATORE IN CORRENTE CONTINUA Energia Meccanica Energia Elettrica Continua MOTORE IN CORRENTE CONTINUA Energia Meccanica Energia Elettrica Continua Il motore in c.c. è stato il motore elettrico maggiormente impiegato negli azionamenti a velocità variabile.

9. STATORE I poli dello statore sono costituiti da magneti permanenti, nelle macchine di minor potenza, o da nuclei in ferro, su cui sono avvolte le bobine di eccitazione alimentate in c.c., nelle macchine di potenza maggiore. Naturalmente nel primo caso il flusso concatenato con l’avvolgimento di armatura è costante, nel secondo può essere regolato variando la corrente di eccitazione.

10. ROTORE Il rotore, a causa del proprio movimento, è sottoposto a un flusso variabile e quindi diventa sede di correnti parassite per cui deve essere laminato. Sulla periferia del rotore sono disposti, entro apposite cave, i conduttori attivi collegati in serie in maniera opportuna. L’insieme di questi conduttori è detto avvolgimento indotto.

11. MACCHINA IN C.C. A MAGNETI PERMANENTI

12. ROTORE DI UNA MACCHINA IN C.C. senza l’avvolgimento

13. ROTORE DI UNA MACCHINA IN C.C. con l’avvolgimento

14. ROTORE E STATORE DI UNA MACCHINA IN C.C.

15. STATORE DI UNA MACCHINA IN C.C. con poli avvolti

16. STATORE DI UNA MACCHINA IN C.C. con poli avvolti

17. ROTORE E STATORE DI UNA MACCHINA IN C.C.

18. GENERATORE A CORRENTE CONTINUA CON INDOTTO AD ANELLO La f.e.m. ha la stessa direzione della corrente di armatura. ia ia ia

19. GENERATORE A CORRENTE CONTINUA CON INDOTTO AD ANELLO Potenza elettrica Pe < 0 Potenza meccanica Pm < 0 La coppia motrice Cm è applicata dal motore primo. Facendo ruotare l’indotto per mezzo del motore primo si genere la f.e.m. indotta e la macchina in c.c. funziona da generatore. Il funzionamento da generatore è basato sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica. La forza elettromotrice indotta è dovuta al moto relativo tra il sistema di conduttori indotti e il campo magnetico induttore.

20. MOTORE A CORRENTE CONTINUA CON INDOTTO AD ANELLO Una f.c.e.m è indotta nel funzionamento da motore. Essa si oppone alla circolazione della corrente di armatura. ia ia ia ia ia

21. ANELLO DI PACINOTTI

22. FEM INDOTTA NEI CONDUTTORI

23. MOTORE A CORRENTE CONTINUA CON INDOTTO AD ANELLO Potenza elettrica Pe > 0 Potenza meccanica Pm > 0 Applicando alle spazzole della macchina in c.c. una tensione opportuna, e quindi facendo percorrere l’indotto da una determinata corrente, l’indotto si mette in rotazione e la macchina funziona come motore trasformando la potenza elettrica in meccanica, salvo le perdite. Il principio di funzionamento da motore è quello delle forze elettromagnetiche per cui, facendo attraversare da corrente un conduttore immerso in un campo magnetico, il conduttore è sollecitato da una forza normale al conduttore e al campo che trascina in movimento il conduttore stesso.

24. CALCOLO DELLA FORZA CONTRO ELETTROMOTRICE

25. CALCOLO DELLA FORZA CONTRO ELETTROMOTRICE

26. CALCOLO DELLA COPPIA ELETTROMOTRICE

27. REAZIONE DI INDOTTO

28. Campi magnetici prodotti dall’induttore e dall’indotto Il campo di armatura è attenuato negli spazi interpolari a causa del maggior spessore di traferro

29. Somma dei campi magnetici ed effetto della saturazione Quando il campo di indotto è negativo, ha effetto smagnetizzante. Quando il campo di indotto è positivo ha effetto magnetizzante ma, a causa della saturazione, l’incremento di induzione magnetica è attenuato.

30. Avvolgimenti compensatori Sulle espansioni polari si aggiungono gli avvolgimenti detti “compensatori”, percorsi dalla corrente di armatura ed avvolti in modo da generare un campo opposto a quello dell’avvolgimento di armatura. La somma dei campi di armatura e dell’avvolgimento compensatore è nulla in corrispondenza delle espansioni polari.

31. Campo al traferro con avvolgimenti compensatori Il valore positivo del campo sulla linea interpolare rende problematica l’inversione della corrente nelle lamelle del collettore causando scintillio ed usura delle spazzole.

32. Poli ausiliari Per ridurre il campo negli spazi interpolari si aggiungono sullo statore i poli ausiliari, avvolti da una bobina percorsa dalla corrente di armatura.

33. Campo al traferro con avvolgimenti compensatori e poli ausiliari Per favorire la commutazione, il campo prodotto dai poli ausiliari e tale da invertire il verso dell’induzione magnetica al traferro in corrispondenza degli spazi interpolari.

34. MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE circuito di eccitazione circuito d’armatura

35. MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE Considerando una situazione di regime, cioè considerando nulle le derivate, si può scrivere: La coppia è

36. MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A regime, la caratteristica di coppia statica è La velocità a regime è

37. MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE Se Cr=0 allora a regime w è uguale a Se in tCr applichiamo una Cr allora a regime w tende a errore a regime

38. SCHEMA A BLOCCHI DEL MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A REGIME disturbo

39. SCHEMA A BLOCCHI DEL MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A REGIME In assenza di coppia di caricoCr basta variare che varia va=KAvr e quindi si ha un controllo di velocità

40. SCHEMA A BLOCCHI DEL MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A REGIME disturbo In presenza di coppia di caricoCr , risulta: Si ha un errore a regime pari a: errore a regime

41. COMPENSAZIONE IN AVANTI (FEEDFORWARD) DEL MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A REGIME Per effettuare un controllo di velocità, in presenza di coppia di carico, si può effettuare una compensazione in avanti.

42. COMPENSAZIONE IN AVANTI (FEEDFORWARD) DEL MOTORE IN C.C. CON ECCITAZIONE INDIPENDNTE A REGIME Con la compensazione in avanti, alimentando con una tensione maggiore v’a, a regime si ottiene w=w* in presenza di Cr.

43. OSSERVAZIONI SULLA COMPENSAZIONE IN AVANTI Con la compensazione in avanti si ha bisogno di un sensore che rilevi la coppia, la resistenza di armatura,…… I parametri: non sono conosciuti con esattezza e, quindi, la semplificazione precedentemente considerata non è valida. In realtà risulta: Con la compensazione in avanti si ha comunque un piccolo errore a regime dovuto alla conoscenza inesatta dei parametri.