Spiegazione dell'azionamento elettrico: come funziona, tipi e perché è importante

Che cos'è un motore elettrico e come funziona?

Un azionamento elettrico è un sistema che utilizza l'energia elettrica per controllare la velocità, la coppia e la direzione di un carico meccanico azionato da un motore. Al suo livello più fondamentale, un azionamento elettrico è costituito da tre elementi fondamentali: una fonte di alimentazione, un'unità di conversione di potenza (come un inverter o un controller del motore) e un motore elettrico che converte l'energia elettrica in movimento meccanico. Il sistema di azionamento governa il modo in cui l'energia elettrica viene fornita al motore, consentendo un controllo preciso, efficiente e reattivo sull'output, sia che tale output stia girando un nastro trasportatore, facendo girare la girante di una pompa, accelerando un veicolo o guidando un braccio robotico.

Ciò che distingue un moderno azionamento elettrico dal semplice collegamento di un motore direttamente all'alimentazione è l'intelligenza incorporata nell'unità di controllo. Una connessione diretta al motore fornisce immediatamente tensione e frequenza complete, non dando al motore altra scelta se non quella di funzionare a una velocità fissa senza capacità di modulare la coppia o adattarsi alle mutevoli condizioni di carico. Un sistema di azionamento elettrico inserisce un controller programmabile tra l'alimentatore e il motore, consentendo la regolazione continua in tempo reale di tensione, corrente e frequenza in base ai segnali di feedback provenienti dai sensori che monitorano velocità, carico, temperatura e posizione. Questa controllabilità è il vantaggio determinante della tecnologia di azionamento elettrico rispetto alle alternative meccaniche a velocità fissa.

Componenti principali di un sistema di azionamento elettrico

Comprendere gli elementi che compongono un sistema di azionamento elettrico è essenziale per chiunque ne specifichi, ne metta in servizio o ne faccia la manutenzione. Anche se le architetture specifiche variano in base all'applicazione, la maggior parte dei sistemi di azionamento elettrico condivide un insieme comune di componenti funzionali che lavorano insieme per fornire un output meccanico controllato.

Stadio di alimentazione e raddrizzatore

Nei sistemi di azionamento elettrico alimentati a corrente alternata, la corrente alternata in ingresso dalla rete viene prima convertita in corrente continua da un circuito raddrizzatore. Questo stadio del bus CC immagazzina energia nei condensatori e fornisce una tensione intermedia stabile che lo stadio inverter del convertitore può quindi modulare nella precisa forma d'onda di uscita richiesta dal motore. La qualità di questa fase di rettifica influisce direttamente sulle caratteristiche di distorsione armonica del convertitore e sulla sua compatibilità con la rete elettrica. Gli azionamenti elettrici ad alte prestazioni incorporano raddrizzatori front-end attivi che riducono le armoniche reimmesse nell'alimentazione e consentono la frenata rigenerativa, restituendo energia alla rete quando il motore decelera.

Controllo inverter e PWM

L'inverter è il cuore della velocità variabile azionamento elettrico . Prende la tensione del bus CC e utilizza un banco di transistor di commutazione - tipicamente transistor bipolari con gate isolato (IGBT) - per ricostruire un'uscita CA a frequenza e tensione variabile attraverso una tecnica chiamata modulazione di larghezza di impulso (PWM). Accendendo e spegnendo rapidamente i transistor migliaia di volte al secondo, l'azionamento sintetizza una forma d'onda CA regolare e controllabile che il motore interpreta come una vera alimentazione sinusoidale. La modifica della frequenza di uscita modifica la velocità del motore; la modifica della tensione di uscita in proporzione alla frequenza mantiene costanti il ​​flusso del motore e la capacità di coppia nell'intero intervallo di velocità. La frequenza di commutazione dell'inverter PWM, generalmente compresa tra 2 kHz e 16 kHz, influisce sia sul rumore udibile prodotto dal motore che sulle perdite di commutazione nell'azionamento stesso.

Processore di controllo motore e circuito di feedback

Il microprocessore o DSP (processore di segnale digitale) in un azionamento elettrico esegue l'algoritmo di controllo che traduce un valore di riferimento di velocità o coppia in precisi comandi di commutazione dell'inverter. Negli azionamenti a controllo scalare (V/f) più semplici, il processore mantiene un rapporto fisso tensione-frequenza e risponde in modo relativamente lento alle variazioni di carico. Negli azionamenti a controllo vettoriale più sofisticati o a controllo diretto della coppia (DTC), il processore calcola continuamente la posizione istantanea e l'entità del flusso magnetico del motore e dei componenti di corrente che producono coppia, consentendo una risposta inferiore al millisecondo alle variazioni di carico dinamico. Il feedback al processore proviene da sensori di corrente all'interno dell'azionamento e, facoltativamente, da un encoder o un risolutore esterno montato sull'albero motore per una misurazione precisa della posizione e della velocità.

Il motore elettrico

Il motore è il dispositivo di uscita del sistema di azionamento elettrico, convertendo l'energia elettrica controllata dall'azionamento in rotazione meccanica dell'albero. Il tipo di motore più comune utilizzato con gli azionamenti elettrici a velocità variabile è il motore a induzione trifase (chiamato anche motore asincrono), robusto, a bassa manutenzione e disponibile in un'ampia gamma di potenze e dimensioni del telaio. I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono sempre più utilizzati nelle applicazioni di azionamento elettrico sia industriali che automobilistiche dove l'elevata densità di potenza, l'elevata efficienza in un'ampia gamma di velocità e le dimensioni compatte sono priorità. I motori a riluttanza commutata e i motori sincroni a rotore avvolto sono utilizzati in applicazioni specializzate di azionamento elettrico ad alta potenza o in ambienti difficili.

Principali tipologie di sistemi di azionamento elettrico

La tecnologia di azionamento elettrico comprende diverse architetture di sistema distinte, ciascuna adatta a requisiti prestazionali, tipi di motore e ambienti applicativi diversi. La tabella seguente riassume i principali tipi di azionamenti elettrici e le loro principali caratteristiche.

La trazione elettrica nei veicoli elettrici: come funziona la trazione automobilistica

L’unità di propulsione elettrica in un veicolo elettrico a batteria (BEV) è una delle applicazioni più critiche in termini di prestazioni e tecnicamente sofisticate della tecnologia di propulsione elettrica oggi esistenti. Un sistema di azionamento elettrico automobilistico deve fornire una coppia fluida e istantanea da fermo, sostenere un'elevata potenza in uscita per periodi prolungati, funzionare in modo efficiente su un'enorme gamma di velocità, sopravvivere a decenni di vibrazioni e cicli di temperatura e adattarsi a vincoli di imballaggio estremamente rigidi, il tutto contemporaneamente.

Come funziona un sistema di trazione per veicoli elettrici

In un veicolo elettrico a batteria, il pacco batterie ad alta tensione (tipicamente 400 V o 800 V) fornisce alimentazione CC all'inverter di trazione, che la converte in CA trifase alla frequenza e alla tensione richieste per produrre la coppia comandata dal conducente. L'inverter di trazione utilizza il controllo ad orientamento di campo (FOC) per regolare in modo indipendente i componenti di corrente che producono flusso e coppia nel motore, consentendo un'erogazione precisa della coppia anche a velocità molto basse. L'albero di uscita del motore si collega a un riduttore a singola velocità (i motori elettrici producono una coppia utile su un intervallo di velocità molto ampio, eliminando la necessità di una trasmissione a più velocità) e da lì alle ruote motrici tramite un differenziale o, in alcune architetture, tramite singoli motori sulle ruote.

Frenata rigenerativa negli azionamenti di veicoli elettrici

Uno dei vantaggi più significativi in termini di efficienza energetica dei sistemi di azionamento elettrico nei veicoli è la frenata rigenerativa. Quando il conducente rilascia l'acceleratore o aziona i freni, la trazione comanda al motore di funzionare come un generatore, convertendo l'energia cinetica del veicolo in energia elettrica e reimmettendola nella batteria. L'inverter funziona con flusso di energia inverso, con il motore che ora produce una coppia frenante mentre agisce come fonte elettrica. Nei cicli di guida urbana con frequenti accelerazioni e decelerazioni, la frenata rigenerativa può recuperare dal 15% al ​​25% dell’energia totale utilizzata, estendendo significativamente l’autonomia rispetto a quanto si otterrebbe con la sola frenata ad attrito.

Configurazioni a motore singolo, doppio motore e trazione integrale

I veicoli elettrici entry-level utilizzano in genere una singola unità di azionamento elettrica che aziona l’asse anteriore o posteriore. Le configurazioni a doppio motore, con un'unità motrice per asse, forniscono la capacità di trazione integrale e consentono al sistema di gestione del veicolo di controllare in modo indipendente la coppia su ciascun asse per trazione e dinamica superiori. Alcuni veicoli elettrici ad alte prestazioni utilizzano tre o anche quattro unità motrici individuali, una per ruota, consentendo la distribuzione della coppia con un grado di precisione che nessun sistema differenziale meccanico può eguagliare. La controllabilità indipendente di ciascuna unità di azionamento elettrica è un vantaggio fondamentale che le trasmissioni elettrificate hanno rispetto ai sistemi meccanici convenzionali.

Applicazioni di azionamento elettrico industriale e risparmio energetico

Gli azionamenti elettrici industriali, principalmente azionamenti a frequenza variabile che controllano motori a induzione CA, rappresentano una parte sostanziale del consumo globale di elettricità industriale. Secondo l’Agenzia internazionale per l’energia, i sistemi di motori elettrici consumano circa il 45% di tutta l’elettricità generata in tutto il mondo e la maggior parte di tale consumo avviene in ambienti industriali. La sostituzione degli avviatori motore diretti in linea a velocità fissa con azionamenti elettrici a velocità variabile offre alcuni dei risparmi energetici più convenienti disponibili nelle operazioni industriali.

Le leggi dell'affinità: perché il controllo della velocità consente di risparmiare così tanta energia

Per i carichi centrifughi (pompe, ventilatori, compressori e soffianti) la relazione tra la velocità del motore e il consumo energetico segue le leggi di affinità: il consumo energetico è proporzionale al cubo del rapporto di velocità. Ciò significa che riducendo la velocità del motore di una pompa dal 100% all'80% della velocità massima si riduce il consumo energetico a circa il 51% del valore della velocità massima (0,8³ = 0,512). Riducendo la velocità al 60% si riducono i consumi ad appena il 22% della velocità massima. Nei sistemi di pompaggio e HVAC in cui la richiesta di flusso varia nel corso della giornata o dell'anno, la sostituzione di un motore a velocità fissa con un motore elettrico a velocità variabile può ridurre il consumo di energia dal 30% al 60% con periodi di ammortamento spesso inferiori a due anni alle tipiche tariffe elettriche industriali.

Avviamento graduale e stress meccanico ridotto

Oltre al risparmio energetico, gli azionamenti elettrici a velocità variabile proteggono sia il motore che il sistema meccanico condotto eliminando l'elevata corrente di spunto e la coppia d'urto associati all'avviamento diretto in linea. Quando un motore viene avviato direttamente in linea, assorbe da sei a dieci volte la sua corrente a pieno carico per i primi secondi e applica un picco di coppia impulsivo al sistema meccanico. Nel corso del tempo, questi ripetuti shock meccanici sollecitano a fatica giunti, scatole del cambio, nastri trasportatori, giunti di tubi e giranti di pompe. L'avviamento tramite azionamento elettrico, ovvero l'accelerazione graduale su una rampa di accelerazione programmabile, riduce la corrente di avviamento di picco dal 100% al 150% della corrente a pieno carico ed elimina completamente il picco di coppia, estendendo in modo misurabile la durata dell'intera trasmissione.

Specifiche chiave da comprendere quando si seleziona un'unità elettrica

Sia che stiate selezionando un azionamento industriale a velocità variabile per un'applicazione di pompe o valutando il sistema di azionamento elettrico in un veicolo, le seguenti specifiche sono le più importanti da comprendere e abbinare ai requisiti della vostra applicazione.

• Potenza nominale (kW o CV): La potenza nominale in uscita continua del convertitore deve essere uguale o superiore al requisito di potenza a pieno carico del motore che controllerà. La maggior parte degli azionamenti specifica inoltre una capacità di sovraccarico, ad esempio il 150% della corrente nominale per 60 secondi, che deve essere sufficiente per le richieste di coppia di accelerazione dell'applicazione.
• Tensione e frequenza in ingresso: Gli azionamenti sono progettati per specifici intervalli di tensione di ingresso (ad esempio, 200–240 V monofase, 380–480 V trifase, 690 V trifase) e frequenza di ingresso (50 Hz o 60 Hz). È essenziale adattare l'azionamento alla tensione di alimentazione disponibile; la maggior parte degli azionamenti moderni accetta una tolleranza di tensione del ±10% e supporta frequenze di alimentazione sia di 50 Hz che di 60 Hz.
• Gamma di frequenza di uscita: Per le applicazioni a velocità variabile, la gamma di frequenza di uscita del convertitore determina la gamma di velocità del motore che può fornire. Un tipico VFD industriale emette da 0 Hz a 500 Hz o superiore, fornendo una gamma di velocità molto più ampia di qualsiasi sistema di regolazione meccanica della velocità. La velocità minima controllabile senza perdita di capacità di coppia è altrettanto importante per le applicazioni che richiedono un funzionamento stabile a bassa velocità.
• Modalità di controllo (V/f, vettoriale ad anello aperto, vettoriale ad anello chiuso): Il controllo scalare V/f è adeguato per semplici applicazioni di carico centrifugo senza requisiti di velocità o coppia di precisione. Il controllo vettoriale ad anello aperto (vettoriale senza sensore) fornisce una coppia a bassa velocità e una risposta dinamica migliorate senza encoder. Il controllo vettoriale ad anello chiuso con feedback dell'encoder offre le massime prestazioni dinamiche e precisione di velocità, necessarie per applicazioni di posizionamento e carichi ad alta inerzia che richiedono una rapida risposta di coppia.
• Grado di protezione ambientale (grado IP): Il grado di protezione IP (Ingress Protection) dell'involucro dell'unità ne specifica la resistenza all'ingresso di polvere e acqua. Gli azionamenti IP20 sono adatti per pannelli di controllo puliti e asciutti. Gli azionamenti IP54 o IP55 vengono utilizzati in ambienti industriali polverosi o soggetti a schizzi. IP66 o superiore è richiesto per installazioni esterne o ambienti sottoposti a lavaggio nella lavorazione alimentare e settori simili.
• Interfacce di comunicazione: I moderni azionamenti elettrici supportano una gamma di protocolli di comunicazione industriale per l'integrazione con PLC e sistemi di controllo di supervisione. Le interfacce comuni includono Modbus RTU/TCP, Profibus, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen ed EtherCAT. La scelta di un azionamento con il protocollo corretto per il vostro sistema di automazione evita costosi hardware gateway e semplifica la messa in servizio e la diagnostica.
• Capacità di frenatura: Le applicazioni con carichi ad alta inerzia o cicli di decelerazione frequenti, come centrifughe, montacarichi, gru e banchi prova, richiedono un azionamento con un transistor di frenatura integrato e un resistore di frenatura esterno per la frenatura dinamica (dissipando l'energia di frenatura sotto forma di calore) o un azionamento rigenerativo front-end attivo che restituisce l'energia di frenatura alla rete di alimentazione per la massima efficienza.

Azionamento elettrico, azionamento idraulico e azionamento meccanico: un confronto pratico

In molte applicazioni industriali e di apparecchiature mobili, i sistemi di azionamento elettrico competono direttamente con le alternative di azionamento idraulico e meccanico. Ciascuna tecnologia presenta veri e propri punti di forza e di debolezza e la scelta giusta dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione. Il confronto seguente evidenzia le principali differenze pratiche.

Installazione e messa in servizio di un sistema di azionamento elettrico: cosa fare nel modo giusto

Anche il miglior sistema di azionamento elettrico avrà prestazioni inferiori o si guasterà prematuramente se installato o messo in servizio in modo errato. I seguenti punti coprono le considerazioni più critiche sull'installazione e la configurazione degli azionamenti elettrici industriali.

Gestione termica e ventilazione

Gli azionamenti elettrici generano calore durante il funzionamento, principalmente a causa delle perdite di commutazione negli IGBT dell'inverter e delle perdite di conduzione nel circuito di potenza. La maggior parte degli azionamenti sono progettati per funzionare in un intervallo di temperatura ambiente compreso tra 0°C e 40°C (da 32°F a 104°F) alla piena corrente nominale. Al di sopra dei 40°C ambientali, il convertitore deve essere declassato, ossia utilizzato con una corrente di uscita ridotta, per mantenere la temperatura dei componenti interni entro limiti di sicurezza. Assicurarsi che l'unità sia montata in una posizione con un'adeguata circolazione dell'aria, con lo spazio necessario sopra e sotto l'unità per il flusso d'aria di raffreddamento come specificato nel manuale di installazione del produttore e che il pannello di controllo o l'armadio disponga di ventilazione o raffreddamento ad aria forzata sufficienti per la totale dissipazione del calore di tutte le unità installate.

Lunghezza del cavo motore e filtro EMC

La forma d'onda di uscita PWM di un azionamento elettrico a velocità variabile contiene componenti di tensione ad alta frequenza che possono causare problemi se i cavi sono lunghi fino al motore. Gli effetti di riflessione della tensione nei cavi motore lunghi (normalmente definiti come superiori a 50 metri per convertitori senza reattori di uscita) possono causare tensioni di picco sui terminali del motore notevolmente superiori alla tensione del bus CC del convertitore, sollecitando l'isolamento dell'avvolgimento del motore. Per i cavi che superano senza attenuazione il limite indicato dal produttore del convertitore, installare una reattanza di uscita (detta anche induttanza motore) o un filtro du/dt all'uscita del convertitore. Inoltre, assicurarsi che il cavo motore sia schermato (schermato) con la schermatura collegata a terra sia all'estremità del convertitore che a quella del motore e che il cavo motore sia instradato separatamente dai cavi di segnale e di controllo per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Configurazione dei parametri e identificazione del motore

Prima di mettere in servizio un azionamento elettrico per la prima volta, inserire i dati di targa del motore (tensione nominale, corrente nominale, frequenza nominale, velocità nominale e fattore di potenza del motore) nel set di parametri dell'azionamento. La maggior parte degli azionamenti moderni include un'identificazione automatizzata del motore o una routine di messa a punto automatica che esegue il motore attraverso una sequenza di test controllata e misura le caratteristiche elettriche effettive del motore collegato, ottimizzando i parametri di controllo interno dell'azionamento per quello specifico motore. Si consiglia vivamente di eseguire la routine di autotaratura prima di mettere in servizio il sistema, in particolare per gli azionamenti a controllo vettoriale, poiché migliora significativamente la precisione della regolazione della velocità e la risposta della coppia dinamica rispetto al fare affidamento sui parametri del motore stimati solo sulla targa dati.

Il futuro della tecnologia di azionamento elettrico

La tecnologia della trazione elettrica sta avanzando rapidamente su più fronti, spinta dall’elettrificazione dei trasporti, dalla crescente automazione nell’industria e dalla spinta globale a ridurre il consumo di energia e le emissioni di carbonio. Diversi sviluppi chiave stanno dando forma alla prossima generazione di sistemi di azionamento elettrico.

• Semiconduttori ad ampio bandgap (SiC e GaN): I transistor di potenza al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN) stanno sostituendo i tradizionali IGBT di silicio negli azionamenti elettrici ad alte prestazioni. Questi dispositivi ad ampio gap di banda commutano più velocemente, funzionano a temperature più elevate e hanno perdite di commutazione inferiori rispetto al silicio, consentendo unità più piccole, più leggere, più efficienti e capaci di frequenze di commutazione più elevate. Gli inverter SiC sono ora standard nelle unità di trazione dei veicoli elettrici di alta qualità e stanno rapidamente entrando nei prodotti di azionamento industriale.
• Azionamenti a motore integrati: Il montaggio dell'elettronica di azionamento direttamente sopra o all'interno dell'alloggiamento del motore, creando un'unità di azionamento motore integrata, elimina la lunga corsa del cavo motore, riduce le interferenze elettromagnetiche, migliora l'efficienza del sistema e semplifica l'installazione. I motori elettrici integrati stanno guadagnando terreno nelle applicazioni con pompe e ventilatori, nei sistemi HVAC e nei sistemi ausiliari dei veicoli elettrici.
• AI e manutenzione predittiva: I moderni azionamenti elettrici generano un flusso continuo di dati operativi: corrente, tensione, velocità, temperatura, vibrazioni e cronologia dei guasti. Gli algoritmi di intelligenza artificiale e machine learning applicati a questi dati possono rilevare sottili cambiamenti nel comportamento del motore o del carico che precedono i guasti di settimane o mesi, consentendo interventi di manutenzione predittiva che impediscono tempi di fermo non pianificati. Gli azionamenti connessi al cloud con monitoraggio delle condizioni integrato sono sempre più standard nelle piattaforme di automazione industriale.
• Architetture a voltaggio più elevato nei veicoli elettrici: I sistemi di azionamento elettrico automobilistico stanno passando da architetture di batterie da 400 V a 800 V, il che riduce la corrente richiesta per un determinato livello di potenza, consentendo cablaggi più sottili e leggeri e consentendo una ricarica rapida CC molto più rapida. L’architettura di trazione elettrica da 800 V, introdotta da Porsche e Hyundai/Kia, sta diventando il nuovo standard per i veicoli elettrici premium a lungo raggio e si prevede che si diffonderà in tutti i segmenti dei veicoli elettrici entro i prossimi anni.
• Unità Grid-Interactive e Vehicle-to-Grid (V2G): I sistemi di azionamento elettrico bidirezionale in grado di esportare energia da una batteria di veicoli elettrici alla rete elettrica o all'impianto elettrico di un edificio stanno passando dai progetti dimostrativi all'implementazione commerciale. Gli azionamenti elettrici compatibili con V2G consentono alle batterie dei veicoli elettrici di agire come risorse di stoccaggio distribuito dell'energia, fornendo servizi di stabilità della rete e consentendo ai proprietari di veicoli elettrici di guadagnare vendendo l'energia immagazzinata nei periodi di punta della domanda.