Modalità di Controllo del Motore Asincrono

Modalità di controllo del motore asincrono Esistono varie modalità secondo cui effettuare il controllo della velocità di un motore asincrono. Alcune permettono di far funzionare il motore con un buon rendimento solo in un piccolo campo di variazione della velocità; altre, invece, consentono escursioni di velocità più ampie. Il dispositivo di controllo può essere applicato al circuito di statore o a quello di rotore; in quest’ultimo caso, ovviamente, occorre che il rotore sia di tipo avvolto con gli avvolgimenti accessibili dall’esterno.

controllo in tensione; controllo in frequenza; Controllo sullo statore Le principali tecniche di controllo, impiegate nel caso in cui il motore asincrono sia controllato mediante un dispositivo applicato al circuito di statore, possono essere suddivise in: controllo in tensione; controllo in frequenza; controllo di scorrimento con alimentazione a tensione impressa; controllo di scorrimento con alimentazione a corrente impressa; controllo ad orientamento di campo.

Controllo sullo statore Il controllo in tensione, il controllo in frequenza e il controllo di scorrimento con alimentazione a tensione impressa impiegano una alimentazione in tensione degli avvolgimenti statorici della macchina e sono anche individuate con la dizione controllo scalare, in quanto il dispositivo di controllo determina o solo l’ampiezza o l’ampiezza e la frequenza della tensione da applicare al circuito statorico

Controllo sullo statore Il controllo di scorrimento con alimentazione a corrente impressa e il controllo ad orientamento di campo prevedono, invece, una alimentazione in corrente e sono individuate con la dizione controllo vettoriale in quanto il dispositivo di controllo determina il valore del modulo e della direzione del vettore di corrente da applicare alla macchina o, equivalentemente, le sue due componenti secondo un opportuno sistema di riferimento.

Controllo sullo statore Oltre alle tecniche precedentemente elencate, sono anche utilizzate altre tecniche che presentano una complessità realizzativa intermedia tra quelle con controllo scalare e quelle con controllo vettoriale.

Controllo in tensione La più semplice modalità, secondo cui è possibile effettuare il controllo della velocità di un motore asincrono, consiste nel variare l’ampiezza della tensione con cui si alimenta il circuito di statore mantenendone costante la frequenza. Dall’espressione della coppia precedentemente ricavata, si può constatare che, a parità di velocità di rotazione e di pulsazione di alimentazione, la coppia a regime permanente risulta proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione. Si ottengono, quindi, caratteristiche statiche del tipo di quelle riportate nella prossima figura, in cui il parametro Kv è pari al rapporto tra l’ampiezza della tensione applicata al motore e quella nominale.

Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della tensione. Controllo in tensione Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della tensione.

Controllo in tensione Impiegando un normale motore di serie, che presenta un valore di scorrimento di coppia massima abbastanza piccolo, il campo entro cui è possibile controllare la velocità del motore risulta alquanto limitato. Per ampliare tale campo è necessario utilizzare un motore, appositamente progettato, caratterizzato da uno scorrimento di coppia massima alquanto più elevato dell’usuale. Questo può essere ottenuto, come si vedrà in seguito, progettando la gabbia rotorica in modo che presenti una resistenza più elevata.

Controllo in tensione Nella successiva figura sono riportate la caratteristiche statiche di un motore caratterizzato da uno scorrimento di coppia massima prossimo all’unità; nella stessa figura, al fine di evidenziare il possibile campo di variazione della velocità, è anche riportata una curva di carico, avendo assunto che la coppia resistente Cr sia proporzionale al quadrato della velocità.

Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della Controllo in tensione Caratteristiche statiche al variare dell’ampiezza della tensione per un motore con elevata resistenza rotorica.

Controllo in tensione Occorre, comunque, tenere presente che il rendimento del motore dipende solo dalla pulsazione di alimentazione e dallo scorrimento, mentre risulta indipendente dall’ampiezza della tensione di alimentazione il motore controllato agendo sull’ampiezza della tensione di alimentazione può, quindi, funzionare con un buon rendimento solo in un campo di velocità alquanto limitato.

Controllo in tensione Il controllo in tensione può essere facilmente realizzato utilizzando un convertitore c.a -c.a. a controllo di fase; il suo impiego è, però, in genere limitato o al caso in cui si desideri mantenere la velocità del motore a un valore costante di poco inferiore alla velocità di sincronismo oppure al caso in cui la coppia di carico cresca almeno col quadrato della velocità (come quando il carico è costituito da pompe o da ventilatori).

Controllo in frequenza La velocità di rotazione di un motore asincrono può essere controllata anche agendo sulla frequenza della tensione con cui si alimenta la macchina; tale modalità consente di ottenere un buon rendimento in un ampio campo di variazione della velocità. La possibilità di alimentare il motore asincrono a frequenza variabile e i vantaggi che se ne possono ricavare erano noti già da molto tempo.

Controllo in frequenza La sua applicazione, però, aveva trovato scarsa utilizzazione prima dell’avvento dei semiconduttori di potenza, a causa delle difficoltà tecnologiche connesse alla realizzazione di un dispositivo atto ad alimentare il motore con una terna di tensioni alternate variabili in ampiezza e frequenza; infatti, al fine di evitare che il flusso al traferro del motore raggiunga valori troppo elevati (che porterebbero in saturazione la macchina) o troppo bassi (che produrrebbero una coppia di valore molto inferiore a quello nominale), la variazione della frequenza di alimentazione deve essere accompagnata da una variazione della ampiezza della tensione.

Controllo in frequenza Il controllo in frequenza può essere applicato a motori di serie, costruiti per funzionare alimentati da rete con una tensione di ampiezza e frequenza costanti; in questo caso, la frequenza di alimentazione è in genere limitata a 120, 150 Hz. Quando, invece, si desidera che il motore possa essere alimentato anche a frequenze più elevate, è conveniente impiegare un motore appositamente progettato (motore per inverter). L’alimentazione a frequenza variabile presenta tuttora un rilevante interesse applicativo; pertanto, ad essa verrà dedicata una esauriente trattazione analitica prendendo in considerazione sia il comportamento statico sia il comportamento dinamico.

Controllo vettoriale Gli azionamenti con controllo in frequenza presentano un buon comportamento statico; viceversa il loro comportamento dinamico risulta accettabile solo se è richiesta una dinamica molto lenta o lenta. Per realizzare azionamenti caratterizzati da una dinamica rapida o molto rapida è, pertanto, necessario ricorrere a tecniche di controllo più sofisticate.

Controllo di scorrimento con alimentazione a corrente impressa La più semplice realizzazione di un controllo vettoriale, è basata sulla alimentazione in corrente e utilizza come variabile di controllo la pulsazione di scorrimento. In particolare, il regolatore di velocità determina il valore della pulsazione di scorrimento mentre il modulo della corrente statorica viene scelto in modo da mantenere costante, nel funzionamento a regime permanente, il modulo del flusso concatenato con gli avvolgimenti di statore o di rotore della macchina.

Controllo ad orientamento di campo Un successivo sviluppo del controllo vettoriale ha portato al controllo ad orientamento di campo che consente di controllare separatamente la coppia motrice sviluppata dal motore ed il modulo del flusso concatenato con gli avvolgimenti di rotore. Il controllo ad orientamento di campo utilizza una schematizzazione ad assi rotanti e richiede una o più trasformazioni trigonometriche, da assi rotanti ad assi fissi e viceversa. Inoltre, per ottenere una alimentazione in corrente sufficientemente precisa, è necessario impiegare una frequenza di commutazione dell’inverter abbastanza elevata.

Le due tecniche più interessanti sono: Altre tecniche Per ovviare a queste necessità, sono state proposte altre tecniche che, pur consentendo, di effettuare un controllo separato del flusso e della coppia, richiedono o minori potenzialità di calcolo o minori frequenze di commutazione. Le due tecniche più interessanti sono: il controllo diretto di coppia (Direct Torque Control, DTC) l’autocontrollo diretto (Direct Self Control, DSC).

Controllo sul rotore L’impiego di motori asincroni alimentati direttamente da rete e con controllo sul rotore ha destato minore interesse applicativo rispetto a quello di motori controllati sullo statore. Tale minore interesse, che è ulteriormente sceso negli ultimi anni, è dovuto sia alla necessità di dovere impiegare un motore più complesso (motore a rotore avvolto con avvolgimenti rotorici accessibili dall’esterno tramite anelli) sia alla minore velocità di risposta alle variazioni del segnale di controllo che presentano, in genere, i sistemi di controllo da rotore. Alcune delle modalità di controllo rotorico hanno, inoltre, un buon rendimento solo in un piccolo campo di escursione della velocità.

Controllo sul rotore Le varie tecniche di controllo rotorico possono essere derivate dal seguente schema di principio

Controllo sul rotore L’aggiunta della resistenza variabile Re modifica la costante di tempo rotorica Tr, che diventa: Pertanto, le espressioni del valore massimo della coppia e del relativo scorrimento:

Controllo sul rotore mostrano che, il valore massimo della coppia elettromagnetica è indipendente dal valore della resistenza esterna, mentre lo scorrimento di rovesciamento è direttamente proporzionale al valore della somma della resistenza rotorica e di quella esterna.

Le caratteristiche statiche coppia-velocità assumono, al variare della Controllo sul rotore Le caratteristiche statiche coppia-velocità assumono, al variare della resistenza esterna Re, l’andamento illustrato nella prossima figura

Controllo sul rotore Dall’espressione si vede che il motore asincrono controllato tramite resistenze inserite nel circuito di rotore presenta un buon rendimento solo in un campo di velocità alquanto limitato. Una parte delle perdite (proporzionale al valore di Rr) si localizza negli avvolgimenti di rotore, mentre l’altra parte (proporzionale al valore di Re) viene dissipata nel resistore esterno.

Controllo sul rotore Se la coppia resistente è sufficientemente inferiore alla coppia massima sviluppabile dal motore, a parità di coppia resistente, lo scorrimento risulta circa proporzionale alla somma della resistenza propria degli avvolgimenti di rotore e di quella esterna; la potenza dissipata negli avvolgimenti di rotore dipende, quindi, quasi esclusivamente dal valore della coppia. Conseguentemente, quando la coppia resistente è pari a quella nominale, le perdite localizzate all’interno del motore risultano, per qualsiasi valore della velocità di rotazione, praticamente uguali a quelle nominali. Al diminuire della velocità, invece, aumenta la potenza dissipata sulle resistenze esterne.

alternativamente aperto e chiuso b) Controllo sul rotore Le tre resistenze variabili possono essere costituite o da un reostato trifase, il cui valore di resistenza viene variato meccanicamente, oppure da una apparecchiatura elettronica, atta a produrre un effetto simile a quello di un reostato. a) alternativamente aperto e chiuso b)

Controllo sul rotore A causa sia della diminuzione del rendimento al diminuire della velocità di rotazione del motore sia dei problemi di riscaldamento, le modalità di controllo rotorico esaminate presentano un campo di impiego analogo a quello del controllo in tensione applicato allo statore; pertanto, esse sono utilizzate solo quando si desidera mantenere la velocità del motore a un valore costante di poco inferiore a quello di sincronismo oppure quando la coppia di carico cresce almeno con il quadrato della velocità. In tali condizioni operative, i dispositivi impiegati per il controllo da rotore risultano più economici di quelli che realizzano il controllo in tensione statorica.

Controllo sul rotore Dal punto di vista energetico, l’inserzione di resistenze variabili in serie ai circuiti rotorici produce il prelievo controllato di una parte dell’energia trasmessa dallo statore al rotore e la sua dissipazione all’esterno della macchina. Lo stesso effetto di prelievo e dissipazione dell’energia può essere ottenuto impiegando un carico R-L costante, alimentato dai circuiti rotorici del motore mediante un convertitore statico, come mostrato nella prossima figura.

Controllo sul rotore

Controllo sul rotore L’energia che il convertitore statico trasferisce dal circuito di rotore al carico può, invece che venire dissipata, essere nuovamente trasferita alla rete di alimentazione mediante un secondo convertitore, in modo da ottenere un buon rendimento in un ampio campo di variazione della velocità. Uno schema che realizza tale soluzione è mostrato nella prossima figura; in esso, il sistema di conversione è costituito da un raddrizzatore a diodi e da un inverter commutato da rete che controlla il trasferimento di energia dal rotore alla rete di alimentazione. Tra i due convertitori è opportuno inserire un’induttanza di spianamento, allo scopo di ridurre l’ondulazione della corrente che alimenta l’inverter.

Controllo sul rotore

Caratteristiche statiche ottenibili Controllo sul rotore Caratteristiche statiche ottenibili

Controllo sul rotore La soluzione illustrata permette di variare la velocità di rotazione del motore solo al di sotto del sincronismo (funzionamento iposincrono). Se si impiega, invece, un sistema di conversione bidirezionale, il flusso dell’energia può essere invertito ed è possibile trasferire energia dalla rete ai circuiti rotorici; in questa si tuazione, la velocità del motore può superare quella di sincronismo (funzionamento ipersincrono).

Controllo sul rotore Il sistema di conversione bidirezionale può essere realizzato sostituendo, ai sei diodi del ponte non controllato, sei raddrizzatori controllati. Nel funzionamento iposincrono, l’angolo di accensione dei raddrizzatori del convertitore connesso al rotore della macchina viene tenuto pari a 0 e il flusso di energia viene controllato mediante il convertitore connesso alla rete; nel funzionamento ipersincrono, invece, l’angolo di accensione del convertitore connesso alla rete viene mantenuto prossimo a 180 e il flusso di energia viene controllato agendo sul convertitore connesso al rotore.

Controllo sul rotore Le due modalità di funzionamento (ipo e ipersincrono) possono, in generale, essere realizzate senza eccessive difficoltà; al contrario, il passaggio dall’uno all’altro tipo di funzionamento richiede opportuni accorgimenti, in quanto in prossimità della velocità di sincronismo le f.e.m. rotoriche diventano praticamente nulle.