Applicazioni di comando dei motori
Dove vengono utilizzati i motori?
I motori sono utilizzati in un'ampia gamma di apparecchiature industriali, tra cui pompe, ventilatori, trasportatori, robot, ascensori, miscelatori, macinatori e centrifughe. Questa diffusione fa sì che i sistemi di motori industriali rappresentino spesso circa il 70% dell'elettricità consumata dall'industria manifatturiera in diversi Paesi.
Quali sono le applicazioni di controllo dei motori?
Il controllo del motore serve a modificare la velocità o la coppia dei motori per soddisfare le esigenze del processo o della macchina azionata dal motore stesso. Le applicazioni di controllo dei motori possono includere celle robotizzate, apparecchiature di movimentazione, sistemi HVAC, apparecchiature di lavorazione nell'industria food and beverage e supporti per prodotti basati sul web, come metallo e carta. Il controllo assicura che il motore funzioni alla velocità giusta per il processo, risparmiando energia, proteggendo i materiali e le macchine dai danni e garantendo una produzione di alta qualità.
Tipi di controllo del motore
Esistono diversi tipi di motore, ciascuno controllato in modi diversi.
Motori CC a spazzole
I motori CC a spazzole sono uno dei primi e più semplici tipi di motore sviluppati. Un semplice motore a corrente continua è costituito da due parti principali: una serie di magneti stazionari nello statore e un rotore costituito da un'armatura. I motori CC di solito offrono prestazioni migliori a bassa velocità rispetto a un analogo motore CA e possono essere controllati con precisione fino al 5-7% della velocità nominale. I controller per questi motori sono generalmente costituiti da un processore, un azionamento motore, un convertitore analogico-digitale e un encoder.
Motore DC brushless
Un motore brushless CC (BLDC) ha un rotore con magneti permanenti e uno statore che contiene gli avvolgimenti. In un BLDC, l'elettronica viene utilizzata per attivare e disattivare la corrente a ciascuna bobina. La velocità di funzionamento dei motori CC può essere controllata regolando la tensione applicata all'indotto.
Motore a induzione CA
I motori a induzione CA rappresentano oltre l'80% di tutti i motori. In un motore a induzione, l'avvolgimento dello statore induce una corrente nel rotore in modo simile a un trasformatore. Questo motore è noto anche come motore asincrono in quanto anche il rotore gira a una velocità inferiore rispetto al campo. Il rotore gira a velocità costante, a meno che non si utilizzi un variatore di frequenza (VFD).
Motore sincrono a magneti permanenti (PMSM)
Un motore sincrono a magneti permanenti abbina il rotore di un motore CC senza spazzole con lo statore di un motore a induzione CA. La velocità di rotazione di un PMSM può essere variata variando la frequenza con un VFD, noto anche come variatore di velocità (VSD). Con i magneti permanenti, il PMSM può generare una coppia a velocità zero. I motori PMSM sono solitamente utilizzati come parti di azionamenti motore a prestazioni elevate e ad alta efficienza. Possono ottenere una rotazione fluida nell'intera gamma di velocità, un controllo completo della coppia a velocità zero e una rapida accelerazione e decelerazione.
Motore passo-passo
I motori passo-passo hanno poche parti in movimento, il che li rende economici e robusti. Come suggerisce il nome, i motori passo-passo vengono utilizzati per passare a un certo numero di posizioni discrete, piuttosto che ruotare in modo continuo. Sono facilmente controllabili da un computer, che converte gli impulsi digitali in passi fissi.
Servomotore
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 controllati tramite la modulazione di larghezza di impulso, che prevede l'invio di un impulso elettrico di larghezza variabile attraverso il filo di controllo.
Applicazioni di azionamento del motore
Poiché la stragrande maggioranza dei motori utilizzati nell'industria è a corrente alternata, la maggior parte delle applicazioni di controllo dei motori viene eseguita dai VFD.
I VFD si collocano tra l'alimentazione elettrica e il motore. L'energia proveniente dall'alimentazione elettrica arriva al convertitore di frequenza, che regola l'alimentazione del motore.
All'interno dell'azionamento è presente un raddrizzatore che converte la corrente alternata in corrente continua. Questa viene poi attenuata da una serie di condensatori e quindi inviata a un inverter, che trasforma l'alimentazione in corrente continua in corrente alternata per alimentare il motore.
In questo modo, il convertitore di frequenza può regolare la frequenza e la tensione inviata al motore in base alla richiesta del processo. I motori CA possono quindi funzionare alla velocità o alla coppia corretta in base alla richiesta, con un potenziale risparmio di energia.
Un VFD può controllare la coppia o la velocità in modalità "controllo di coppia" o "controllo di velocità". Quando il VFD opera in modalità di controllo della coppia, la velocità è determinata dal carico, mentre quando viene utilizzato in modalità di controllo della velocità, è la coppia a essere determinata dal carico.
I carichi a coppia variabile offrono il maggior potenziale di risparmio energetico e di miglioramento dell'efficienza. Questi carichi comprendono pompe, ventilatori e unità di trattamento dell'aria.
La controllabilità dei VFD e la loro capacità di ricevere input da sensori nell'ambiente o all'interno del processo fanno sì che vengano ampiamente utilizzati in molti tipi diversi di applicazioni di controllo industriale, dalla gestione di prodotti alimentari delicati come i pomodori, alla regolazione del raffreddamento e dell'ossigeno in processi industriali pesanti come la produzione di acciaio. È per questa capacità di controllare i processi variando la velocità dei motori che li alimentano che spesso vengono chiamati anche azionamenti per l'automazione industriale.
Controllo per motori PLC CC
I motori CC sono principalmente comandati darelè. Un relè elettromeccanico (EMR) è essenzialmente un interruttore azionato da un elettromagnete. Il relè accende o spegne un circuito di carico eccitando l'elettromagnete, che a sua volta apre o chiude i contatti collegati in serie con un carico. Di solito i relè vengono utilizzati per controllare piccoli carichi di 15 A al massimo.
Un relè ha due circuiti: l'ingresso della bobina (noto anche come circuito di controllo) e l'uscita del contatto (il circuito di carico). Nei circuiti motore, gli EMR sono spesso utilizzati per controllare le bobine dei contattori e degli starter.
Un relè ha di solito una sola bobina, ma può avere molti contatti diversi. I relè elettromagnetici hanno sia contatti fissi che contatti mobili, con i contatti mobili attaccati all'armatura. I contatti sono indicati come normalmente aperti (NO) e normalmente chiusi (NC). Quando la bobina viene alimentata, si crea un campo elettromagnetico che fa muovere l'indotto, chiudendo i contatti NA e aprendo i contatti NC.
Le bobine sono solitamente contrassegnate da una lettera: M per gli avviatori, CR per i relè di controllo. I contatti dei relè di controllo sono piccoli perché devono gestire solo le piccole correnti utilizzate nei circuiti di controllo, consentendo loro di contenere numerosi contatti isolati.
Un dispositivo simile a un EMR è il contattore, la cui differenza principale consiste nelle dimensioni e nel numero di contatti. I contattori sono destinati al collegamento diretto con dispositivi di carico ad alta corrente. I dispositivi che commutano più di 15 A o in circuiti di potenza superiore a qualche kilowatt sono generalmente descritti come contattori.
Il controllo a frequenza variabile offre una serie di vantaggi:
- Migliore efficienza operativa
Con i convertitori di frequenza, il controllo dei sistemi di produzione può essere automatizzato, in quanto il convertitore può far parte di un sistema di controllo ad anello chiuso. Ciò riduce la necessità di manodopera, con conseguente risparmio di ore di lavoro e di costi di manodopera. - Risparmio sui costi energetici
Facendo funzionare i motori a carico parziale per soddisfare la domanda, i VFD utilizzano solo la quantità di energia necessaria, con una riduzione del consumo energetico fino al 50%. - Risparmio sulle spese di capitale
Grazie all'immediata riduzione del consumo elettrico, è possibile ottenere tempi di recupero rapidi, in alcuni casi entro pochi mesi dall'installazione. - Risparmio sui costi di manutenzione e di pezzi di ricambio
L'utilizzo dei VFD comporta una minore sollecitazione delle apparecchiature meccaniche durante l'avviamento e il funzionamento, garantendo una maggiore durata delle apparecchiature stesse.
Applicazioni di controllo dei ventilatori
Uno dei principali impieghi dei VFD è nel controllo della velocità delle ventole industriali. I ventilatori sono ampiamente utilizzati in applicazioni che vanno dal riscaldamento, alla ventilazione e al condizionamento dell'aria (HVAC) in immobili commerciali, industriali e residenziali, al controllo della velocità delle soffianti per raffreddare il clinker nella produzione di cemento e alla regolazione della temperatura dei forni per la produzione di prodotti da forno.
L'uso dei VFD nel controllo della velocità dei ventilatori industriali offre una serie di vantaggi. Oltre a un controllo preciso del flusso d'aria, i VFD contribuiscono a ridurre il rumore dei ventilatori e a prolungarne la durata. Non solo riducono il consumo energetico: i VFD consentono anche di avviare i ventilatori mentre girano, evitando di doverli fermare completamente prima di riavviarli. Offrono inoltre la possibilità di gestire le perdite di potenza. Durante un calo della tensione di alimentazione, il convertitore di frequenza ordina al ventilatore di rallentare e utilizza l'energia rigenerativa per rimanere in funzione e mantenere il controllo del ventilatore.
Un VFD può essere utilizzato per variare la velocità di un compressore per soddisfare la domanda, nonché per reagire rapidamente alla domanda per evitare la necessità di mantenere una pressione di mandata elevata in riserva.
Controllo dei motori per le pompe
Le pompe sono utilizzate in tutti i settori industriali, da processi come la produzione petrolchimica, al petrolio e al gas, agli alimenti e alle bevande, al trattamento delle acque potabili e reflue. La natura di questi fluidi pompati varia notevolmente in termini di composizione, densità, portata volumetrica e livelli di pressione, richiedendo prestazioni e parametri di controllo diversi da parte delle pompe utilizzate per movimentarli.
Le applicazioni che richiedono flussi variabili, ad esempio per soddisfare le richieste di acqua da parte dei consumatori in varie ore del giorno o per adeguarsi alle condizioni di processo e controllare la qualità dell'acqua in un impianto di trattamento delle acque, richiedono un VFD. Tuttavia, alcune applicazioni del motore della pompa possono non richiedere la velocità variabile e possono invece combinare un motore IE3 a più alta efficienza con uno starter diretto in linea, uno starter stella-triangolo in grado di limitare la corrente di spunto o un soft starter.
I soft starter possono anche ridurre il pericolo di colpi d'ariete, una condizione in cui si verificano sbalzi di pressione nel fluido quando la pompa viene attivata o disattivata. Questi sbalzi di pressione possono danneggiare i giunti e, in ultima analisi, provocare perdite da tubazioni o serbatoi. I VFD, grazie alla loro capacità di aumentare la velocità del motore della pompa, sono anche un ottimo modo per evitare il colpo d'ariete.
Controllo dei motori per l'automazione industriale
I sistemi di automazione industriale sono utilizzati in applicazioni che vanno dal settore alimentare e delle bevande, all'imballaggio, ai sistemi logistici, alla produzione di carta, alle macchine utensili e ai robot. Poiché i VFD possono far parte di un sistema ad anello chiuso, ricevendo i dati dai sensori sulla macchina, elaborandoli e inviando un comando al motore, possono costituire il cuore di un sistema di automazione. Possono svolgere una particolare funzione di controllo autonomo su una macchina o una cella oppure far parte di un sistema di controllo più ampio, ricevendo dati da altre parti della linea o da operatori umani nella sala di controllo.
I vantaggi dell'inserimento dei VFD nel ciclo di automazione sono costituiti innanzitutto dal risparmio energetico che questi possono apportare. Grazie al controllo preciso della velocità dei motori, i VFD possono anche migliorare la qualità, garantendo che apparecchiature come le linee di imbottigliamento funzionino alla velocità corretta per evitare danni. Possono anche alimentare il materiale alla velocità corretta per evitare arretrati o carenze di articoli in lavorazione, contribuendo a raggiungere gli obiettivi di produttività.
Un esempio di miglioramento della produttività è la soluzione adottata da un produttore di pomodori che ha utilizzato i VFD di ABB. L'azienda aveva bisogno di confezionare i pomodori in modo più rapido e preciso e di ispezionarne la qualità.
È stato progettato un sistema di trasporto utilizzando servomotori e azionamenti per macchinari ad alte prestazioni. Questo sistema controlla la velocità dei nastri trasportatori per la movimentazione dei pomodori, adattandola alla velocità della macchina confezionatrice. In questo modo si garantisce che i pomodori vengano confezionati in modo rapido e preciso. Un semplice azionamento aziona i rulli dei nastri trasportatori, consentendo di girare automaticamente i pomodori e di controllarne la qualità.
I nastri trasportatori sono azionati da una macchina ad alte prestazioni. Disposto in una configurazione master-slave, il master riceve un segnale encoder dalla stazione di confezionamento. L'azionamento sa in quale fase del ciclo si trova la confezionatrice e controlla i motori del trasportatore per garantire che i pomodori arrivino alla confezionatrice al momento giusto.
La soluzione consente una velocità media di confezionamento di 70-80 pacchi al minuto, il doppio di quella ottenuta con il sistema puramente meccanico.
In effetti, i nastri trasportatori sono un'applicazione di controllo molto comune che utilizza motori controllati da VFD. I trasportatori possono doversi muovere in una o due direzioni, avviarsi o arrestarsi frequentemente o fermarsi in posizioni precise per consentire operazioni di precisione come il travaso di farmaci in fiale. I VFD possono soddisfare tutti questi requisiti di movimento.
Anche le pompe e le ventole fanno spesso parte del controllo dei motori dell'automazione industriale. Ad esempio, con il feedback della temperatura da un sensore, un VFD può accendere o spegnere una ventola per ottenere la corretta temperatura di cottura in un forno. Analogamente, i sensori di livello possono fornire al VFD dati sul livello del fluido in un serbatoio, consentendo al VFD di accendere o spegnere una pompa per tenere il livello entro i limiti specificati e mantenere la quantità corretta di acqua o altri fluidi per alimentare un processo.
Controllo dei motori per la robotica
I robot sono ovviamente grandi utilizzatori di motori, i quali servono per ottenere un movimento preciso in una serie di applicazioni che comprendono il pick and place, la movimentazione dei materiali, l'ispezione dei componenti, la verniciatura e la saldatura di precisione.
I movimenti richiesti possono essere rotatori o lineari e i driver dei motori dei robot si affidano a quattro tipi di motori per realizzare questi diversi movimenti.
Servomotore robot
I servomotori sono essenzialmente attuatori rotativi o lineari, utilizzati nelle applicazioni robotiche per ruotare o spingere parti della struttura del robot con elevata accuratezza e precisione. I servomotori utilizzano i normali motori, ma con l'aggiunta di un sensore che fornisce un feedback sulla loro posizione. Un servomotore robotico fa parte di un sistema ad anello chiuso con componenti quali un albero, ingranaggi e un circuito di controllo.
Motori lineari
I motori lineari sono essenzialmente motori a induzione che producono un movimento lineare piuttosto che un movimento rotatorio. Utilizzano un alimentatore CA e un servocontrollore, spesso lo stesso utilizzato per i servomotori rotativi.
Motori a mandrino
I motori a mandrino sono piccoli motori elettrici ad alta precisione utilizzati per ruotare un albero o un mandrino. Di solito si presentano sotto forma di un motore passo-passo con un albero cavo e nelle applicazioni di robotica sono utilizzati per attività come la foratura, la fresatura, l'incisione e la sbavatura.
Motori passo-passo
I motori passo-passo apportano un elevato grado di precisione ai movimenti robotici grazie alla loro capacità di compiere un passo attraverso un angolo preciso, il quale è una suddivisione di una rotazione completa dell'albero del motore. Con i motori passo-passo è possibile ottenere posizionamenti molto precisi grazie a un passo digitale controllato dal computer, che li rende ideali per il controllo di piattaforme di telecamere, plotter X-Y e altri sottosistemi utilizzati nelle applicazioni robotiche.
Controllo dei motori per ascensori
Gli ascensori consumano grandi quantità di energia ma, utilizzando il giusto tipo di controllo del motore, gran parte di questa energia può essere riutilizzata per altre scale mobili o altri carichi elettrici della rete.
Quando un ascensore sale con un carico leggero e scende con un carico pesante, il sistema genera più energia di quella utilizzata. Nell'azionamento tradizionale di un ascensore, l'energia in eccesso viene dispersa sotto forma di calore. Al contrario, l'utilizzo di un azionamento rigenerativo cattura l'energia per riutilizzarla: quando la cabina dell'ascensore scende, il motore che l'ha sollevata agisce come un generatore, trasformando l'energia meccanica in energia elettrica per altri carichi. Gli azionamenti rigenerativi possono ridurre l'energia utilizzata dagli impianti di ascensore di un edificio fino al 70%.
Veicoli elettrici e ibridi (HEV)
I veicoli elettrici (EV) e i veicoli elettrici ibridi (HEV) rappresentano un mercato in crescita per il controllo dei motori. Nonostante il continuo miglioramento delle batterie, l'ansia da autonomia rimane una preoccupazione per i conducenti e quindi qualsiasi sistema che possa prolungare la durata della batteria è utile. Come per gli ascensori, i veicoli elettrici possono utilizzare la frenata rigenerativa, che converte il movimento meccanico delle ruote in energia elettrica utilizzando il motore come generatore. In questo modo l'auto rallenta anche perché l'energia viene consumata dalle ruote che ruotano sull'albero del motore.
I veicoli moderni utilizzano i motori anche in molte altre applicazioni, come il servosterzo, le portiere automatiche, i finestrini e gli specchietti.
Altre applicazioni industriali di controllo dei motori
Oltre a questi esempi, il controllo dei motori industriali è utilizzato in un'ampia gamma di altre applicazioni. Tra queste, le gru, dove i VFD possono ora essere utilizzati per controllare tutte le parti motorizzate, tra cui il paranco, il ponte, il carrello e la rotazione del gancio. L'uso dei VFD impedisce arresti e partenze brusche del ponte e del carrello, evitando un'usura eccessiva di componenti quali giunti, riduttori, ruote e supporti strutturali. Una particolare tecnologia VFD molto utile per il controllo delle gru è il controllo diretto della coppia (DTC). Questa tecnologia consente di mantenere la coppia completa a velocità zero per tenere un carico sospeso a un'altezza stabilita. Inoltre, risponde più rapidamente di altre tecnologie per mantenere sotto controllo i carichi oscillanti.
Anche le macchine CNC sono grandi utilizzatrici di motori. Molte macchine CNC generiche, utilizzate per un'ampia gamma di attività come la foratura, l'alesatura e la fresatura, sono dotate di motori fino a sei assi. Ciò consente a un utensile da taglio di eseguire un’ampia gamma di operazioni lungo tre assi lineari e tre assi di rotazione.
Il controllo dei motori è ampiamente utilizzato anche in ambito militare e avionico. Ad esempio, il Fly-by-Wire prevede l'attivazione delle superfici di controllo del volo tramite motori comandati da segnali elettrici provenienti dai comandi del pilota, anziché il metodo tradizionale di fili e pulegge fisicamente collegati. Ciò consente una risposta molto più rapida, con un minore sforzo da parte del pilota. Permette inoltre l'introduzione di tecniche come la stabilità artificiale, in cui la cellula è progettata per essere deliberatamente instabile. Il computer di bordo comanda la regolazione delle superfici di controllo per mantenere la stabilità, migliorando notevolmente i tempi di risposta e l'agilità del velivolo.
Un altro dei più diffusi utilizzi dei motori e dei loro controller è quello in campo medico. Le pompe di infusione per la somministrazione al paziente di fluidi, come sostanze nutritive e farmaci, sono molto diffuse; altri usi importanti includono la movimentazione di apparecchiature mediche di scansione, come gli scanner per risonanza magnetica e TAC.
L'importanza del controllo dei motori industriali
Con un numero così elevato di motori in uso nell'industria, che svolgono così tanti compiti, controllarli correttamente è di vitale importanza.
Un adeguato controllo del motore può portare a un'ampia gamma di vantaggi per il processo e la macchina controllata. Tra questi, uno dei più importanti è l'efficienza energetica. Controllando la velocità del motore in base alle esigenze del processo, è possibile ridurre drasticamente il consumo energetico. Similmente all'assenza di controllo della velocità, i motori vengono lasciati funzionare alla massima velocità, utilizzando tutta la potenza a prescindere dalle esigenze effettive del processo. In alcune applicazioni sono utili anche le tecnologie rigenerative, che consentono alla frenata meccanica di far funzionare il motore come un generatore, fornendo così energia supplementare che altrimenti andrebbe sprecata sotto forma di calore.
Alcuni motori, come quelli passo-passo, offrono anche un elevato grado di precisione, consentendo di avanzare con incrementi piccoli e precisi per ottenere un posizionamento accurato. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni di robotica, dove le pinze devono essere posizionate con precisione sopra i componenti e spostate per afferrare i componenti, alcuni dei quali possono essere delicati. I servomotori possono essere utilizzati anche per muovere i meccanismi di messa a fuoco della telecamera, per garantire un'acquisizione accurata delle informazioni visive per il robot.
Le applicazioni a motore comportano una certa dose di rischio di lesioni per gli operatori o di danni alle apparecchiature o ai materiali, pertanto la sicurezza è un aspetto fondamentale nel controllo dei motori. Ad esempio, un motore può subire un'interruzione di corrente che lo porta a fermarsi. Se l'alimentazione viene ripristinata improvvisamente, il motore potrebbe avviarsi in una posizione non sicura o ferire le persone che vi lavorano. Per evitare tali eventualità, i VFD possono utilizzare funzioni di sicurezza come il Safe Torque Off o STO, che porta il convertitore di frequenza in uno stato di assenza di coppia e impedisce un avvio imprevisto del macchinario azionato.
Allo stesso modo, i PLC contribuiscono alla sicurezza dei motori grazie alla programmazione con diagrammi ladder. In questo modo il PLC può essere programmato per rispondere agli input provenienti da interruttori e sensori. Così, il programmatore può garantire che il PLC fornisca il segnale di accensione del motore solo se sono soddisfatte determinate condizioni di sicurezza.
Il controllo del motore svolge inoltre un ruolo importante nel proteggere da eventuali danni sia il motore stesso sia l'apparecchiatura azionata, contribuendo ad aumentare l'affidabilità e la sicurezza, massimizzando i tempi di produzione e riducendo al minimo gli sforzi e i costi di manutenzione. Ad esempio, l'utilizzo dei VFD comporta una minore sollecitazione delle apparecchiature meccaniche durante l'avviamento e il funzionamento, garantendo una maggiore durata delle apparecchiature stesse.. I VFD possono anche essere programmati per evitare di azionare apparecchiature come smerigliatrici e miscelatori oltre i limiti di coppia impostati, proteggendo i motori e la macchina stessa da eventuali danni.
La scelta del metodo di controllo corretto per il motore e il processo gioca quindi un ruolo cruciale per il buon funzionamento dei processi industriali, garantendo una lunga durata, un funzionamento sicuro e costi ottimizzati.
