Controllo dei motori industriali
Una guida al controllo dei motori industriali
I motori elettrici sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni industriali, dall'azionamento di rulli per prodotti a nastro come carta e lamiera, alla macinazione e miscelazione di ingredienti nell'industria del food and beverage. Inoltre, trovano un vasto impiegno nell'azionamento di ventilatori e compressori in applicazioni HVAC e di raffreddamento, nonché per azionare macchinari di produzione e movimentazione come centri di lavoro CNC e trasportatori.
Questa loro “onnipresenza” fa sì che i motori industriali consumino attualmente quasi il 50% dell'elettricità mondiale. Con le crescenti pressioni sui prezzi delle forniture energetiche e la necessità di ridurre il consumo di energia per diminuire le emissioni di carbonio, i motori sono un candidato privilegiato per le misure di miglioramento della loro efficienza energetica.
I motori devono essere controllati per migliorare la precisione del loro movimento e per proteggerli da correnti di spunto potenzialmente dannose all'avvio. I motori collegati Direct On Line (DOL) sono cablati direttamente alla loro alimentazione. Quando è acceso, il motore assorbe una grande quantità di corrente, in genere da sei a otto volte quella a pieno carico del motore. Ciò produce una coppia di picco elevata che può causare danni come la rottura dei nastri trasportatori, oltre a danni meno evidenti alle scatole degli ingranaggi e ad altri componenti della trasmissione. Questo tipo di avviamento produce anche uno stress termico sul motore, riducendone potenzialmente la durata. L'aumento graduale della corrente tramite un controller del motore evita questi shock.
I controller di motori industriali superano le sfide dell'avviamento limitando la corrente e riducono il consumo energetico di un motore durante il funzionamento facendolo funzionare alla velocità appropriata per le condizioni dell'applicazione.
Ad esempio, un'applicazione di raffreddamento che utilizza una ventola può essere gestita con un controllo ad anello chiuso. È possibile misurare la temperatura dell'aria e inviare i dati al controller, che seleziona la velocità corretta per il funzionamento della ventola. Ciò garantisce il mantenimento del set point di temperatura, mentre la ventola funziona a una velocità che consente di risparmiare energia. Questo è ben diverso dal funzionamento a velocità costante, in cui il ventilatore funziona alla massima velocità indipendentemente dalla richiesta di raffreddamento.
I controller di motori sono quindi una parte importante di qualsiasi sistema industriale, in quanto controllano i motori e consentono una maggiore precisione nella produzione.
Cos’è il controllo dei motori industriali?
Il controllo dei motori industriali prevede l'utilizzo di un dispositivo per controllare la velocità e il funzionamento di un motore industriale. Il controllo della velocità di un motore consente di soddisfare le esigenze del processo con un consumo minimo di energia. Un controllore del motore può anche proteggere il motore e fornire un controllo più preciso dell’applicazione.
Tipi di controller industriali
In sostanza, un motore elettrico è una macchina che trasforma l'energia elettrica in energia meccanica. Ciò avviene grazie all'interazione tra un campo magnetico nella parte mobile del motore - il rotore - e una corrente elettrica nell'avvolgimento della bobina nella parte fissa del motore - lo statore.
Ci sono tre tipi principali di motori industriali:
- CC
- CA a induzione
- CA sincroni
Motori CC
I motori CC sono utilizzati soprattutto nei giocattoli, nei veicoli elettrici, nei montacarichi e negli ascensori. Per i processi industriali, sono stati ampiamente sostituiti dai motori CA.
Un semplice motore CC è costituito da due parti principali: una serie di magneti stazionari nello statore e un rotore costituito da un'armatura con uno o più avvolgimenti di filo isolato avvolti intorno a un nucleo di ferro dolce. Questa disposizione ha lo scopo di concentrare il campo magnetico.
Le estremità degli avvolgimenti sono collegate a un commutatore, un interruttore rotante che inverte periodicamente la direzione della corrente tra il rotore e il circuito esterno. In questo modo, ogni bobina dell'indotto può essere eccitata a turno. Inoltre, collega le bobine rotanti all'alimentazione esterna attraverso contatti chiamati spazzole.
Le bobine vengono accese e spente in sequenza per produrre un campo magnetico rotante. Questi campi magnetici interagiscono con i campi magnetici dei magneti nello statore, che possono essere permanenti o elettromagnetici. Questo crea a sua volta una coppia sull'armatura, facendola ruotare.
Un'alternativa alle spazzole è l'utilizzo di motori CC senza spazzole, che attivano e disattivano la corrente a ciascuna bobina mediante l'elettronica.
La velocità di funzionamento dei motori CC può essere controllata regolando la tensione applicata all'indotto.
Il flusso stabile di energia dei motori CC li rende particolarmente adatti alle applicazioni che richiedono velocità e coppia costanti, come le apparecchiature di laminazione delle acciaierie e le macchine per la carta.
Motori a induzione CA
Un motore a induzione CA, noto anche come motore asincrono, utilizza i campi magnetici dell'avvolgimento dello statore per indurre una corrente elettrica nell'avvolgimento del rotore. Queste correnti indotte nel rotore creano a loro volta campi magnetici al suo interno.
Il rotore di un motore a induzione ruota più lentamente del campo dello statore, da cui il termine asincrono. Il campo magnetico dello statore cambia quindi rispetto al rotore, inducendo una corrente opposta nel rotore.
Per contrastare la variazione delle correnti di avvolgimento del rotore, quest'ultimo inizierà a ruotare nella direzione del campo magnetico rotante dello statore. Questo effetto di induzione significa che un motore a induzione non richiede collegamenti elettrici al rotore.
Il rotore di un motore a induzione può essere di due tipi: avvolto o a gabbia di scoiattolo. I motori trifase a gabbia di scoiattolo sono ampiamente utilizzati nell'industria per la loro affidabilità ed efficienza. Offrono anche il vantaggio di essere autoavvianti
Motori sincroni CA
Un motore sincrono è un motore elettrico a corrente alternata in cui l'albero ruota alla frequenza della corrente di alimentazione. Ciò significa che il periodo di rotazione corrisponde a un numero integrale di cicli CA.
Lo statore porta una serie di elettromagneti multifase in corrente alternata. Questi sono costituiti da un avvolgimento trifase dotato di alimentazione trifase, il quale crea un campo magnetico che ruota in sincronia con le oscillazioni della corrente di linea. Il rotore è dotato di magneti permanenti o elettromagneti ed è alimentato in corrente continua.
Un motore sincrono funziona grazie all'interazione dei campi magnetici dello statore e del rotore. L'avvolgimento trifase dello statore, che trasporta correnti trifase, produce un flusso magnetico rotante trifase. Il rotore si aggancia a questo campo magnetico rotante e ruota con esso. In questo stato, si dice che il motore è sincronizzato.
Una volta avviato il motore, la sua velocità dipende solo dalla frequenza di alimentazione. Ad esempio, con una tensione di 120 V CA e una frequenza di 60 Hz, un motore sincrono CA ruota a 72 giri/min Questa velocità di rotazione può essere variata modificando la frequenza con un variatore di frequenza (VFD), noto anche come variatore di velocità (VSD).
Poiché presentano variazioni di energia continue, i motori a corrente alternata sono la scelta d’elezione per applicazioni quali compressori, impianti idraulici e pompe per l'irrigazione.
Altri motori
Ci sono altri due tipi dimotori comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali, tra cui il servomotore e il motore passo-passo.
Un servomotore si presenta sotto forma di attuatore rotante o lineare. Gli si può ordinare di assumere una posizione, una velocità o un'accelerazione precisa, angolare o lineare. Un servomotore è costituito da un motore accoppiato a un sensore che fornisce un feedback sulla sua posizione e richiede un modulo di controllo dedicato, progettato per l'uso con i servomotori.
I servomotori sono spesso utilizzati in applicazioni come la robotica, i macchinari CNC e la produzione automatizzata. I servomotori possono essere alimentati con corrente continua o alternata.
I motori passo-passo sono un tipo di motore elettrico CC senza spazzole. Come suggerisce il nome, dividono una rotazione completa in diversi passi uguali. Il motore può essere comandato per spostarsi e mantenersi in uno di questi passi.
I motori passo-passo comandati da computer sono in genere controllati digitalmente in quanto parte di un sistema ad anello aperto per l'uso in applicazioni che richiedono il mantenimento o il posizionamento.
I motori passo-passo sono oggi più comunemente utilizzati in applicazioni quali lettori di floppy disk, scanner piani, stampanti per computer, plotter, macchine CNC e stampanti 3D. Nella maggior parte delle applicazioni industriali, il loro ruolo è stato sostituito dai servomotori.
Controller per motori industriali
Controllo di motori AC industriali
Esistono diverse opzioni per il controllo dei motori, la più semplice delle quali è l'avviatore statico. Si tratta di un dispositivo utilizzato con i motori CA per ridurre momentaneamente il carico e la coppia cui è sottoposto il gruppo propulsore, nonché il picco di corrente elettrica assorbito dal motore durante l'avviamento. L'avviamento graduale riduce le sollecitazioni meccaniche sul motore e sull'albero e le sollecitazioni elettriche sui cavi e sulle connessioni, contribuendo a prolungarne la vita utile.
L’avviamento graduale può essere costituito da dispositivi meccanici I dispositivi meccanici possono includere frizioni o giunti per limitare la coppia, mentre i soft starter elettrici possono essere utilizzati in qualsiasi sistema di controllo che riduca temporaneamente la tensione o la corrente in ingresso e quindi riduca la coppia.
Una soluzione più moderna e capace, che offre anche una grande flessibilità di controllo, è l'azionamento a velocità variabile (VSD) o a frequenza variabile (VFD). Il controllo dei motori VFD varia frequenza dell'alimentazione CA del motore. Poiché la velocità di un motore a induzione dipende dalla frequenza di alimentazione, si possono utilizzare i VFD per variarne la velocità. Possono essere utilizzati anche con i motori sincroni.
Un VFD è un convertitore di potenza che utilizza l'elettronica per convertire una frequenza fissa e una tensione fissa in una frequenza variabile e una tensione variabile. Di solito sono dotati di un'interfaccia utente programmabile che consente di monitorare facilmente la velocità del motore elettrico.
I convertitori di frequenza riducono la potenza di un'applicazione, ad esempio una pompa o una ventola, controllando la velocità del motore; in questo modo è possibile ridurre il consumo energetico del 50% e, in casi estremi, anche del 90%.
Oltre al risparmio energetico, la controllabilità offerta dai VFD può portare altri vantaggi. Ad esempio, in un estrusore, un VFD potrebbe non far risparmiare molta energia, ma il controllo e la regolazione della velocità che offre si tradurrebbero in una produzione di qualità superiore.
I VFD vengono utilizzati da molti anni per controllare le velocità e le coppie dei motori, gestendo le velocità della linea per modificare i parametri di produzione, tra cui lo spessore, la formazione della grana e la tenuta dell'avvolgimento. Trovano impiego anche nelle pompe, dove risolvono problemi come il colpo d'ariete, la cavitazione e il taglio dell'albero al momento dell'avviamento. Tutti questi problemi possono essere attenuati facendo funzionare il motore con un VFD.
Il numero di motori progettati per essere utilizzati con i VFD è aumentato notevolmente negli ultimi anni. Anche i convertitori di frequenza si sono moltiplicati, con molte versioni speciali progettate per funzionare specificamente con pompe o ventilatori. Ciò rende difficile ottenere la giusta combinazione di azionamento e motore. L'abbinamento tra l'azionamento proposto e il motore consentirà di ottenere la soluzione di dimensioni adeguate, evitando sovradimensionamenti che possono comportare un aumento dei costi, un maggiore ingombro e un maggiore impatto ambientale.
Controller per motori CC
I controller per motori CC i differenziano in base alle caratteristiche del motore e al tipo di controllo che forniscono, come il tipo e la tensione di funzionamento del motore, il tipo di regolazione della potenza, il tipo di segnale di controllo, la potenza del motore e il tipo di controllo.
Ad esempio, un motore CC brushless (BLDC) ha un commutatore elettronico senza spazzole. Un controllore per motori BLDC utilizza sensori per rilevare la posizione del motore e commuta la corrente nell'avvolgimento mediante transistor.
Un controllore per motori CC a spazzole (BDC) regola la velocità e la coppia modificando l'alimentazione del motore, utilizzando un regolatore di tensione lineare o a commutazione. Un regolatore lineare fornisce una tensione di uscita stabile, indipendente dalla tensione di ingresso fornita da una fonte di alimentazione. Un regolatore a commutazione utilizza la modulazione dell'ampiezza degli impulsi (PWM), fornendo la tensione in impulsi. Ciò significa che è possibile regolare la velocità del motore regolando i cicli di lavoro degli impulsi. Offrendo una maggiore efficienza e una bassa perdita di potenza, la PWM è ampiamente utilizzata per il controllo della velocità dei motori CC.
Controllo dei servomotori industriali
In un servomotore, il controllo viene applicato attraverso un anello di retroazione tra il motore e il controllore. La posizione e la velocità del motore vengono rilevate con encoder integrati nel motore.
I servomotori sono azionati da un segnale di modulazione dell'ampiezza degli impulsi (PWM) inviato attraverso il filo di controllo mentre il motore viene alimentato. Il rotore del servomotore gira con un’angolazione particolare a seconda dell'ampiezza dell'impulso. Ciò significa che il ciclo di lavoro determinerà la posizione finale dell'albero.
Uno dei grandi vantaggi di un servomotore è la sua capacità di mantenere la posizione tra le fasi di attuazione. Se una forza esterna allontana il rotore dalla posizione stazionaria comandata, l'encoder rileva questa deviazione e fa sì che il controllore contrasti la forza esterna, mantenendo la posizione del rotore.
Controllo del motore passo-passo industriale
Un azionamento per motori passo-passo controlla un motore passo-passo controllando la sua posizione esatta senza utilizzare un sistema di retroazione. Questi tipi di driver impiegano solitamente un controllo variabile della corrente e diverse risoluzioni di passo.
Includono traslatori fissi per consentire il controllo del motore con ingressi sia di direzione che di passo. Questi sono i segnali principali e possono essere facilmente forniti da un microcontrollore economico come Arduino o Raspberry Pi.
Il segnale di direzione, se impostato a livello logico alto (+5 V), indica al motore la direzione in cui muoversi. A seconda della fase principale, il motore ruoterà in senso orario o antiorario. Quando il segnale è impostato su un valore basso (GND), il motore si muove nella direzione opposta.
È il segnale di passo a determinare la risoluzione del passo. Se è impostato su passo completo, il motore si sposta da una posizione di passo alla successiva. Invece, se impostato in modalità mezzo passo, il motore compie un mezzo passo.
Riepilogo
Cavalli di battaglia dell'industria, i motori elettrici svolgono un ruolo fondamentale nella produzione, nella lavorazione e nel trasporto di beni e materiali. Dalla macinazione e miscelazione ai trasportatori, ai refrigeratori, ai compressori e a molte altre applicazioni, i motori sono il pilastro della produzione moderna.
Oltre a fornire la "forza bruta" per semplici movimenti, i motori devono anche essere controllati per dare il contributo più efficace ed efficiente a un processo di produzione. Il controllo di un motore con l'azionamento giusto consente di ottenere la massima efficienza energetica, assicura una maggiore durata e contribuisce al controllo accurato dei processi, consentendo una produzione di alta qualità.
