Attuatori Elettrici Industriali
Attuatori Elettrici Industriali
Abbiamo già esaminato la regolazione di un sistema di controllo a catena chiusa di una grandezza fisica: si tratta ora di analizzare il componente della catena che genera la grandezza fisica.
Questo componente è l’attuatore.
Si può definire l’attuatore come il dispositivo che trasforma l’energia prodotta dal convertitore di potenza nella grandezza fisica richiesta (es.: velocità, posizione, temperatura, …).
Tipologie e caratteristiche degli attuatori elettrici più diffusi nelle applicazioni industriali e relative modalità di regolazione
Nella maggior parte dei casi gli attuatori si identificano con i vari tipi di motori elettrici.
- Motore a C.C. a magneti permanenti
Le due parti principali del motore in questo caso hanno le seguenti caratteristiche:
- lo statore è un magnete permanente;
- il rotore è composto da una serie di avvolgimenti, alimentato da un sistema di collettore spazzole.
Nello schema: 
sono evidenziati due diversi campi magnetici, uno generato dal magnete permanente, l’altro generato dalla corrente che circola negli avvolgimenti del rotore.
L’interazione fra i due campi magnetici genera la rotazione del motore. Questo motore, come qualsiasi motore, ha disponibili in uscita coppie e velocità.
Esse stanno nella nota relazione di P = C·ω: dove P = potenza, C = coppia, ω = velocità angolare.
Il valore della coppia, in questo tipo di motore, è proporzionale al flusso emesso dal magnete permanente e quindi non è modificabile.
Il valore della potenza dipende dalla tensione di armatura per cui variando la potenza, varia la velocità (perché C è costante):
La regolazione dei parametri in uscita in questo caso si definisce a coppie costante/potenza variabile.
Concludendo: con questo tipo di motore è possibile variare solo la potenza; in termini pratici ciò si traduce in possibilità di variare la velocità, tramite la regolazione della tensione di armatura (Va).
Regolare questo tipo di motore significa pertanto agire sul valore della tensione di armatura.
Tale regolazione può attuarsi attraverso due tecniche:
- lineare
- PWM
Tecnica lineare significa che il valore della tensione desiderata è mantenuta costante nel tempo.
Esempio:
Nell’intervallo t0 – t1 il deviatore S1 è nella posizione A, nell’intervallo successivo t1 – t2 è nella posizione B.
Tecnica PWM (Pulse Width Modulation) significa che il valore di ampiezza della tensione di armatura è ottenuto regolando il valore medio di un’onda quadra definita portante.
Per regolare il valore medio di un’onda quadra (di ampiezza e frequenza costante) si agisce sul rapporto:
La figura rappresenta un’onda quadra: essa è composta da una parte positiva definita TON e da una negativa, definita TOFF.
Il periodo dell’onda quadra vale:
Applicando quindi quest’onda ai contatti di armatura del motore C.C. quest’ultimo si comporterà come se fosse alimentato da una tensione continua di valore pari al valore medio dell’onda quadra.
Ma perché questo possa avvenire è necessario che la frequenza dell’onda quadra sia almeno di qualche kHz, in modo tale che il motore, per effetto dell’induttanza, riesca a rendere la corrente quasi continua.
Concludendo: la tecnica PWM consiste nell’applicare al motore un’onda quadra, variando il valore medio.
Motore a C.C. a eccitazione separata
Per questo tipo di motore valgono tutte le considerazioni fatte a proposito del motore C.C. a magnete permanente, fatta eccezione per il comportamento della coppia.
In questo caso, infatti, il campo magnetico generato dallo statore non dipende più da un magnete permanente, ma da un solenoide percorso da corrente, come è evidente in figura: 
dove: Va = tensione di armatura Ia = corrente di armatura
Ve = tensione di eccitazione Ie = corrente di eccitazione
Φe = flusso di eccitazione
Essendo il flusso di eccitazione un parametro modificabile (tramite corrente di eccitazione) si possono effettuare tre tipi di regolazione dei parametri:
- Regolazione a coppia costante / potenza variabile
ottenuta con corrente di eccitazione costante e tensione di armatura variabile.
- Regolazione a potenza costante / coppia variabile
ottenuta con tensione di armatura costante e corrente di eccitazione variabile.
- Regolazione mista
ottenuta con Ie massima e Va che varia da 0 al valore massimo (intervallo t1 – t2); mantenendo Va massima, decresce Ie (intervallo > t2).
Nel controllo di questo particolare tipo di motore, la regolazione della corrente di eccitazione non genera nessun problema, perché si sceglie un valore adeguato e lo si mantiene costante.
Per quanto riguarda la regolazione di Va valgono le tecniche presentate a proposito del motore C.C. a magnete permanente.
Motore C.A. asincrono trifase
Le due parti principali del motore, in questo caso, hanno le seguenti caratteristiche:
- lo statore è composto da tre avvolgimenti collegati a stella o a triangolo;
- il rotore è di tipo avvolto oppure è costituito da una struttura metallica, definita a gabbia.
Alimentando i tre avvolgimenti statorici con tre tensioni sinusoidali uguali in frequenza ed in ampiezza e sfasate fra di loro di 120°, all’interno del motore si genera un campo magnetico rotante.
Nello schema: 
è evidente il collegamento della terna di avvolgimenti che originano il campo magnetico rotante.
Nell’avvolgimento rotorico, attraversato dal flusso del campo magnetico rotante, viene indotta una tensione definita forza elettromotrice indotta. Poiché il rotore è un circuito elettricamente chiuso, questa forza elettromotrice indotta genera una corrente, che a sua volta genera un campo magnetico indotto.
L’interazione fra il campo magnetico indotto e il campo magnetico rotante genera la rotazione.
Da quanto detto, risulta evidente che esiste un trasferimento di energia da statore a rotore; tale trasferimento si realizza però compiutamente solo se il campo magnetico rotante ruota più velocemente del rotore del motore. Rispettata questa condizione, le spire del rotore possono tagliare le linee di flusso del campo magnetico rotante, ottenendo perciò, come risultato, l’induzione della forza elettromotrice.
La differenza di velocità fra campo magnetico rotante e rotore è definita scorrimento.
I parametri di uscita regolabili in questo caso sono:
- il senso di rotazione
- la velocità
- la coppia
Il senso di rotazione si controlla tramite la sequenza ciclica delle fasi U, V, W.
La velocità di controlla agendo sulla frequenza della tensione di alimentazione (si trascura il caso di motore a poli variabili).
La coppia si controlla agendo sull’ampiezza della tensione di alimentazione.
Nel controllo di questo tipo di motore si possono utilizzare le due tecniche già considerate:
- lineare
- PWM
Con la tecnica lineare si utilizzano dei convertitori CC/CA a frequenza variabile, generalmente realizzati con SCR.
Con la tecnica PWM, il segnale sinusoidale si estrae dal valore medio dell’onda quadra portante. 
Motori brushless (senza spazzole)
Le due parti principali del motore, in questo caso, hanno le seguenti caratteristiche:
- lo statore è costituito da tre avvolgimenti collegati in modo rigido a stella o a triangolo
- il rotore è un magnete permanente
Il principio di funzionamento di questo motore è basato sull’interazione dei campi magnetici generati dallo statore con il campo magnetico del rotore.
II principio è lo stesso di quello del motore C.A. asincrono, con la differenza che in questo caso il rotore possiede un’energia propria, per cui non è più necessario che il campo magnetico rotante tagli le spire del rotore per ottenere l’induzione di energia. Non solo, ma in questo caso il rotore gira alla stessa velocità del campo magnetico rotante.
Tuttavia in questo tipo di motore l’angolazione fra campo magnetico rotante e campo magnetico del rotore dipende anche dalla posizione del rotore. Poiché l’angolazione suddetta deve essere di 90° (perché il motore possa ruotare con coppia massima disponibile), è necessario, nel nostro caso, che il controllo riceva l’informazione relativa alla posizione del rotore. L’informazione in questione viene fornita da tre sensori ad effetto Hall (rilevatori di campo magnetico).
L’informazione consente al controllo di decidere quale dei tre avvolgimenti del motore deve essere alimentato ed in quale successione.
II segnale in corrente idoneo a pilotare questo tipo di motore, è lo stesso segnale di cui necessita il motore C.A. asincrono, pertanto valgono le stesse regole generali.
Campi di applicazione degli attuatori analizzati
Gli attuatori vengono impiegati nell’industria nelle percentuali rappresentate dal seguente grafico:
- Motori C.C. a magneti permanenti
L’utilizzo prevalente di questo tipo di motori si ha nella movimentazione assi di macchine operatrici e assi di robot.
Si tratta di una tipica applicazione di carico a coppia costante, cioè indipendente in larga misura dalla velocità.
- Motori C.C. a eccitazione separata
Le prestazioni di questo tipo di motori sono molto elevate, sia in termini di regolazione automatica della velocità, sia, soprattutto, in termini di rapida variazione di velocità.
Essi trovano applicazione in quei casi in cui è richiesta una gamma di funzionamento a potenza costante, unitamente a prestazioni statiche e dinamiche elevate.
L’applicazione più frequente riguarda l’azionamento di mandrini di macchine utensili/operatrici.
- Motori C.A. asincroni
Essendo questo tipo di motore difficilmente regolabile in velocità, la sua diffusione è tipica di quelle applicazioni in cui la velocità è praticamente fissa e non richiede nessuna stabilizzazione al variare delle condizioni della tensione di alimentazione e del carico, ad esempio nei nastri trasportatori.
- Motori brushless
Questo motore, come si è precedentemente detto, ha caratteristiche molto simili al motore C.C. a magnete permanente.
Essendo però un motore senza spazzole è esente da manutenzione; inoltre, essendo il suo rotore costituito da materiali definiti “terre rare”, come manganese, cobalto, dispongono di maggiore capacità di accelerazione, sia per la minore inerzia del motore, sia perché la coppia disponibile non si riduce all’aumentare della velocità.
I campi di applicazione sono pertanto gli stessi del motore C.C. a magnete permanente, rispetto al quale viene scelto sempre più frequentemente, per i vantaggi che presenta.
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