NB I riferimenti al testo riguardano la sezione 19B.

Premessa: i motori elettrici, come le altre macchine elettriche, sono reversibili e possono essere utilizzati anche come generatori (ad esempio un motore in continua può funzionare da dinamo) tuttavia ci soffermeremo sul solo funzionamento da motore¹⁾.

Esistono varie tipologie di motori con caratteristiche diverse; tra queste è importante considerare:

• il costo
• l'affidabilità
• le prestazioni meccaniche, in particolare allo spunto (cioè nella partenza da fermo)
• la facilità di controllo
• il tipo di alimentazione (in continua, in alternata, a commutazione elettronica)

Di seguito elenchiamo le principali tipologie di motori indicando il campo di impiego e le caratteristiche principali.

Sono motori azionati da batterie o alimentatori; hanno ottime prestazioni meccaniche e sono molto facili da controllare ma hanno un costo maggiore rispetto a quelli in alternata, sono meno affidabili e richiedono una manutenzione periodica. Sono impiegati nell'automazione - dove servono elevate prestazioni e facilità di controllo - ma anche in altri campi (trazione, macchine utensili, elettrodomestici).

Hanno lo stesso principio di funzionamento dei motori in continua e presentano caratteristiche simili - ottime prestazioni e facilità di controllo - ma non hanno problemi di affidabilità e manutenzione. Si chiamano così (“senza spazzole”) perché non richiedono un contatto strisciante per funzionare ma un'alimentazione con un dispositivo elettronico di potenza per la commutazione delle correnti. Sono una soluzione migliore ma più costosa rispetto ai motori in continua e vengono utilizzati principalmente nell'automazione.

Anche questi motori sono alimentati con un dispositivo elettronico di potenza che si occupa della commutazione delle correnti ma il loro funzionamento è diverso da tutti gli altri: il loro albero si muove “a scatti”, nel senso che le posizioni che può assumere sono fisse e multiple del passo del motore. Si comandano alimentando il motore con una sequenza opportuna di correnti che produce una rotazione di ampiezza ben precisa.

Questi motori hanno prestazioni inferiori agli altri ma permettono di realizzare posizionamenti molto precisi con un sistema di controllo molto semplice. Sono usati in automazione, nella robotica e nelle periferiche dei computer (stampanti, plotter, ecc.).

I motori in alternata presentano un campo magnetico rotante al loro interno; si distingue tra:

• motori sincroni, dove il campo magnetico rotante gira alla stessa velocità dell'albero
• motori asincroni, dove il campo magnetico rotante gira appena più velocemente dell'albero

Esamineremo solo i motori asincroni; quelli sincroni sono usati quasi esclusivamente come alternatori.

I motori asincroni, in particolare quelli trifase, sono molto utilizzati nell'industria perché possono essere alimentati direttamente dalla rete e perché sono robusti, affidabili ed economici. Il loro impiego tuttavia è limitato alle movimentazioni più semplici perché sono difficili da controllare e hanno prestazioni scadenti allo spunto (difetti parzialmente compensabili azionando il motore con un inverter).

I motori in continua possono essere:

• a magneti permanenti
• a campo avvolto, cioè con elettrocalamite
• universali, con elettrocalamite collegate in modo da poter funzionare anche in alternata

I motori a magneti permanenti sono di piccola e media potenza e sono utilizzati in automazione, quelli a campo avvolto sono usati per potenze maggiori, quelli universali si usano nelle macchine utensili, negli elettrodomestici e nella trazione.

Come tutti i motori quello in continua è composto da due parti:

• il rotore, che ruota con l'albero
• lo statore, che non si muove e contiene il rotore al suo interno

Il rotore appoggia su dei cuscinetti (su delle bronzine nei motori più piccoli) collocati nella parte anteriore e posteriore del rotore.

Nel motore in continua il circuito magnetico è composto da:

• una coppia di magneti (o elettromagneti), posti sul lato interno dello statore, che generano il flusso di macchina
• lo statore in ferro
• il traferro, cioè il sottile strato d'aria che separa statore e rotore
• il rotore, cioè l'albero in acciaio e il resto del circuito magnetico, di forma cilindrica e realizzato in lamierini di ferro-silicio isolati tra loro per ridurre le perdite per correnti parassite²⁾

Il circuito elettrico invece è composto da:

• un avvolgimento detto di armatura, realizzato in rame isolato con delle vernici, posto in apposite cave sulla parte esterna del rotore
• un contatto strisciante a sua volta composto da:
  • il collettore, di forma cilindrica e posto sul rotore davanti ai lamierini, composto da lamelle di rame isolate tra loro e collegate ognuna a due conduttori dell'avvolgimento
  • una coppia di spazzole in rame e grafite, premute contro il collettore da delle molle, poste sullo statore e collegate ai morsetti della macchina

Il contatto strisciante ha due compiti:

• permette la circolazione di corrente nell'avvolgimento
• funziona da commutatore elettro-meccanico per le correnti che percorrono i conduttori dell'avvolgimento di armatura

Perché il motore funzioni è infatti indispensabile che la corrente che percorre i vari tratti dell'avvolgimento cambi verso passando da un polo all'altro, cioè da una calamita all'altra. Il contatto strisciante è il “punto debole” della macchina perché è causa di:

• attrito, e di conseguenza perdite
• usura, che rende necessaria la sostituzione delle spazzole dopo un certo tempo³⁾
• disturbi elettromagnetici ed ossidazione dei contatti, provocati dallo scintillio che si ha a causa dell'inversione delle correnti

Il principio di funzionamento del motore può essere compreso osservando la rappresentazione semplificata di figura 2: il contatto spazzole-collettore fa circolare due correnti di verso opposto nei conduttori posti davanti ai poli N e S; i due conduttori, sottoposti all'azione di un campo magnetico perpendicolare, diventano sede di una forza magnetica⁴⁾ che vale:

`F=BIl`

dove B è l'induzione magnetica, l la lunghezza del conduttore e I la corrente. Le due forze, perpendicolari sia alla corrente che all'induzione⁵⁾, danno luogo a una coppia che fa ruotare l'albero del motore. Per mantenere il verso della coppia durante la rotazione è necessario invertire il verso della corrente nei conduttori; questo compito è svolto dal collettore, che alimenta le due spire collegate alle quattro lamelle in modo che i conduttori davanti ai magneti siano percorsi da correnti che circolano sempre nello stesso verso. In definitiva la coppia ha verso costante perché le correnti nei conduttori sono alternate.

Un motore vero e proprio (vedi figura 3) è più complicato perché:

• il collettore ha più lamelle e il circuito è molto più complicato
• possono esserci più di due magneti (o elettromagneti)
• la corrente percorre molti conduttori contemporaneamente⁶⁾

ma il funzionamento non cambia: in tutti i conduttori posti davanti allo stesso polo, perpendicolari al campo magnetico e percorsi da corrente con lo stesso verso, nasce una forza magnetica; l'effetto risultante è una coppia motrice che vale:

`C_m=K I`

dove K è detta costante di macchina e dipende dall'induzione dalle calamite, dal numero di conduttori e dalle dimensioni del rotore. La relazione appena vista caratterizza il funzionamento del motore in continua ed è particolarmente semplice: coppia e corrente sono direttamente proporzionali.

Nella macchina si verifica un altro fenomeno elettromagnetico: nei conduttori, che si muovono immersi in un campo magnetico a loro perpendicolare, nascono delle tensioni indotte secondo la legge:

`e=Blv`

dove e è la tensione indotta, B l'induzione, l la lunghezza del conduttore e v la velocità lineare. Il verso di queste tensioni cambia a seconda che il conduttore si trovi sotto il polo N o S⁷⁾ ma per come è realizzato l'avvolgimento alle spazzole si manifesta un'unica tensione che vale:

`E=K omega`

dove E è la tensione generata, ω la velocità di rotazione (in rad/s) e K è la stessa costante di macchina che compare nell'espressione della coppia. La tensione generata allora è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione⁸⁾ e, nel funzionamento da motore, si comporta come una forza controelettromotrice che ostacola la circolazione di corrente⁹⁾.

Vedi anche questo video su youtube.

Il motore può essere rappresentato dal circuito equivalente di figura 1b dove R_a è la resistenza del circuito di armatura¹⁰⁾ e il simbolo a destra è un generatore che rappresenta la tensione generata. La macchina può essere studiata considerando le tre relazioni:

`V=R_a I+E`

`e=Blv`

`C_m=K I`

che combinate insieme permettono di esprimere la relazione coppia-velocità del motore, cioè la sua caratteristica meccanica:

`omega = omega_0 - R_a/K^2 C_m`

dove ω₀ è la velocità a vuoto ed è la velocità massima raggiungibile dal motore. La figura 4 mostra una rappresentazione grafica della caratteristica meccanica. La retta nel grafico coppia-velocità rappresenta la relazione scritta sopra e contiene tutti i possibili punti di funzionamento del motore. Questa rappresentazione grafica è molto utilizzata perché mostra in maniera intuitiva il comportamento del motore ai vari regimi di rotazione; nei datasheet di solito la velocità è indicata in giri al minuto e i due assi sono scambiati (coppia nelle ordinate e velocità nelle ascisse).

Considerando le relazioni e il circuito equivalente appena visti vediamo cosa succede quando si alimenta un motore inizialmente fermo senza un carico applicato. Allo spunto, cioè col motore fermo che si avvia, non c'è tensione generata e di conseguenza la corrente e la coppia motrice (dette di spunto) sono massime. Questo garantisce un avvio molto rapido. Nella fase di accelerazione si manifesta una tensione generata e corrente e coppia calano all'aumentare della velocità. A regime la coppia si annulla¹¹⁾ è la velocità si stabilizza sul valore massimo pari a ω₀. Riassumendo tutto in una tabella:

Tornando al grafico di figura 4 osserviamo:

• il punto di funzionamento allo spunto sull'asse delle ascisse, con coppia massima e velocità zero
• il punto di funzionamento a vuoto sull'asse delle ordinate, con velocità massima e coppia zero
• che la coppia cala linearmente all'aumentare della velocità (la relazione che lega le due grandezze corrisponde a una retta)

Il carico meccanico viene applicato all'albero e produce una coppia resistente che ha verso opposto a quello di rotazione del motore. Anche il carico, come il motore, ha una sua caratteristica meccanica che mostra l'andamento della coppia ai vari regimi di rotazione. Il carico può essere:

• a coppia costante (ad esempio nel sollevamento dei pesi)
• a coppia variabile (ad esempio per le pompe e i ventilatori la coppia cresce col quadrato della velocità)

Il punto di funzionamento del motore col carico può essere determinato:

• analiticamente, mettendo a sistema le caratteristiche di motore e carico
• graficamente, individuando il punto in cui le due caratteristiche si incrociano nel grafico coppia-velocità

Il comportamento dinamico del motore è descritto dalla relazione:

`C_m - C_r = J (d omega)/dt`

dove C_m e C_r sono le coppie motrice e resistente, J è il momento di inerzia complessivo di motore e carico e l'ultimo termine è l'accelerazione angolare. Come si vede il motore accelera (o decelera) fino a che le due coppie non coincidono; quindi funziona a velocità costante. In definitiva l'effetto del carico è quello di far rallentare il motore fino a che la coppia motrice non eguaglia quella resistente.

Le prestazioni del motore si giudicano non solo dalla potenza massima ma anche dalla sua caratteristica meccanica. In questo senso è importante osservare che la caratteristica meccanica di questo motore è particolarmente vantaggiosa perché:

• presenta la massima coppia proprio dove è richiesta la massima accelerazione, cioè allo spunto
• è intrinsecamente stabile cioè tende a mantenere la velocità costante; infatti, fissato un punto di funzionamento, un'eventuale diminuzione di velocità comporta un aumento di coppia motrice che riporta la velocità al valore precedente e lo stesso avviene, in senso inverso, se la velocità aumenta

La velocità del motore si regola agendo sulla tensione di alimentazione. Da questa infatti dipendono i valori della coppia di spunto e della velocità a vuoto per cui una modifica della tensione produce uno spostamento dei punti di funzionamento a vuoto e allo spunto nel grafico che rappresenta la caratteristica meccanica. Regolando la tensione allora si fa traslare la caratteristica parallelamente a se stessa, come mostrato in figura 4. Spostando la caratteristica del motore si può:

• fissare un diverso valore della velocità a vuoto (che è rigorosamente dipendente dalla tensione di alimentazione)
• modificare la velocità spostandosi su un altro punto della caratteristica del carico

Come si vede la regolazione è molto semplice ed efficace - al limite basta un potenziometro - e non dà luogo ad instabilità.

Quando si regola la velocità di un motore si passa da una condizione di regime ad un altra; questo non avviene istantaneamente e nel transitorio la velocità cambia secondo una costante di tempo meccanica τ_m che dipende dall'inerzia e da altri fattori. Nel funzionamento del motore sono presenti anche transitori di tipo elettrico caratterizzati da una costante di tempo elettrica τ_e ma, dal momento che questa è molto più piccola di quella meccanica, il loro effetto può essere trascurato.

I motori a campo avvolto utilizzano degli elettromagneti al posto dei motori permanenti. Questa soluzione ha degli svantaggi:

• maggiore complessità costruttiva
• un secondo circuito - detto di eccitazione - per l'alimentazione delle elettrocalamite
• perdite leggermente maggiori

Tuttavia questa soluzione permette di:

• costruire motori di grandi dimensioni
• ottenere valori più alti di induzione magnetica e quindi prestazioni migliori
• regolare la velocità a potenza costante agendo sul campo magnetico invece che sul circuito di armatura (vedi figura 9)
• realizzare motori universali, in grado di funzionare sia in continua che in alternata

I motori a campo avvolto sono poco utilizzati nel campo dell'automazione; sono la soluzione più adatta per le medie e grandi potenze e per applicazioni particolari come quelle dei motori universali. Le due tipologie principali sono:

• i motori ad eccitazione indipendente
• i motori universali

I primi prevedono un'alimentazione separata per le elettrocalamite (vedi figura 8) ma si comportano come i motori a magnete permanente. Nei motori universali invece il circuito delle elettrocalamite è collegato in serie a quello di armatura (per questo sono anche detti anche motori ad eccitazione serie). Questo accorgimento permette al motore di funzionare anche in alternata: infatti ogni volta che la corrente cambia verso nel circuito di armatura si inverte anche la polarità degli elettromagneti col risultato che la coppia non cambia verso¹²⁾. Il motore universale ha comunque delle particolarità rispetto agli altri:

• presenta una leggera ondulazione nella coppia (comunque smorzata dall'inerzia meccanica)
• ha una caratteristica con andamento iperbolico invece che rettilineo¹³⁾ caratterizzato da:
  • pendenza molto variabile (il motore rallenta sensibilmente applicando il carico)
  • coppia di spunto particolarmente elevata
  • velocità a vuoto molto elevata

Data la sua caratteristica meccanica il motore universale è impiegato nella trazione, nelle macchine utensili e negli elettrodomestici.

Il testo propone alcune soluzioni per il controllo ON-OFF, lineare e PWM del motore. In queste troviamo degli accorgimenti tecnici sui quali vale la pena spendere due parole: i diodi di libera circolazione e i componenti elettronici di potenza.

Nei circuiti di pilotaggio dei motori si trova sempre un diodo collegato in antiparallelo al motore (vedi paragrafo 1 sezione 18A). Questo diodo, detto di libera circolazione (freewheeling o flyback in inglese), serve a proteggere i componenti elettronici dalle sovratensioni che si manifestano quando si cerca di interrompere la corrente in un componente che presenta una componente induttiva (ad esempio nei motori o nei relé)¹⁴⁾. Nel normale funzionamento il diodo è interdetto e la corrente scorre nel motore; all'apertura del circuito la corrente può ancora circolare attraverso il diodo, che entra in conduzione per effetto della tensione indotta. Questo accorgimento:

• protegge i componenti dalle tensioni indotte che altrimenti si andrebbero a sommare a quella di alimentazione del motore
• limita la sovratensione al valore della cdt sul diodo
• permette una rapida estinzione della corrente

Nel controllo dei motori si utilizzano componenti elettronici di potenza. Si tratta di componenti a semiconduttore che non trattano segnali ma sono costruiti per sopportare le correnti e/o le tensioni molto elevate con cui operano motori, solenoidi, ecc. Si utilizzano:

• transistor - BJT, FET e IGBT - per piccole e medie potenze
• tiristori - SCR, TRIAC e GTO - per potenze maggiori

In queste applicazioni, data la potenza in gioco, è necessario dissipare il calore generato all'interno dei componenti con un dissipatore, dimensionato in modo che all'equilibrio termico (quando la temperatura è costante) il calore generato venga smaltito all'esterno e la temperatura di giunzione non superi il valore massimo consentito.

La figura 10 mostra il circuito di pilotaggio ON-OFF di motore in continua. Un transistor (BJT, darlington o MOSFET) viene usato come un interruttore che permette la circolazione di corrente nel motore solo quando è presente la tensione V_I. Questa soluzione è molto semplice ma non consente di cambiare il verso di rotazione del motore. Per l'inversione di marcia si possono utilizzare:

• il circuito a semiponte di figura 11a, con alimentazione simmetrica
• il circuito a ponte H di figura 11b, con alimentazione singola

Nella struttura a semiponte i due transistor¹⁵⁾ T₁ e T₂ conducono alternativamente e determinano il verso di rotazione. I diodi in antiparallelo a T₁ e T₂ proteggono i transistor dalle sovratensioni permettendo la circolazione di corrente quando uno dei due si interdice¹⁶⁾.

La struttura a ponte impiega quattro transistor che conducono a coppie: quando T₁ e T₄ sono ON T₂ e T₃ sono OFF e il motore gira in un verso; la direzione di marcia si inverte quando T₂ e T₃ ON e T₁ e T₄ OFF. Anche in questo caso i diodi permettono la circolazione di corrente quando una coppia di transistor viene interdetta. Questa seconda soluzione è utilizzata in molti integrati (ad esempio l'L293 della ST Microelectronics che contiene due ponti H).

Esistono varie soluzioni per il controllo lineare del motore: dal semplice circuito di figura 10 con il BJT usato in zona lineare a soluzioni più complesse con integrati. In ogni caso il controllo lineare è sconsigliabile perché si dissipata molta potenza nei componenti attivi determinando un basso rendimento e problemi di natura termica.

La tecnica più utilizzata per il controllo di velocità è quella della modulazione a larghezza di impulsi (PWM) dove il motore viene alimentato con una tensione impulsiva a frequenza costante e duty cycle variabile ¹⁷⁾. Nella modulazione PWM i componenti elettronici di potenza funzionano in commutazione (ON/OFF) e - almeno idealmente - non dissipano potenza perché nello stato ON e in quello OFF la tensione o la corrente sono nulle. Il rendimento allora è molto elevato e praticamente tutta la potenza è trasferita al carico. La regolazione della velocità si effettua variando il duty cycle quindi, di fatto, regolando il valore medio dell'onda impulsiva che è quello che “sente” il motore¹⁸⁾.

La figura 15 mostra uno schema di principio di un controllo PWM:

• un comparatore confronta un segnale a dente di sega con il segnale errore (costante nel breve periodo) producendo impulsi di frequenza cosante - quella del segnale a dente di sega - con durata variabile che dipende dall'ampiezza dell'errore
• l'uscita del comparatore pilota il BJT mandandolo alternativamente in saturazione (livello alto di tensione) e interdizione (tensione nulla)
• è presente un anello di retroazione per stabilizzare la velocità del motore:
  • la dinamo tachimetrica genera un segnale proporzionale alla velocità del motore
  • il segnale di riferimento, proporzionale alla velocità desiderata, viene confrontato con quello della dinamo; la differenza tra i due è il segnale di errore che determina la larghezza degli impulsi e quindi il valor medio della tensione al motore

Il funzionamento è tale per cui, ad esempio, una diminuzione della velocità del motore fa aumentare l'errore che determina impulsi più lunghi quindi una maggiore tensione al motore che tende a compensare il calo di velocità.

I motori brushless derivano da quelli in continua e sfruttano lo stesso principio di funzionamento ma sono privi del contatto strisciante. Questo è possibile perché il rotore ospita i magneti mentre i circuiti elettrici sono posti sullo statore. L'inversione delle correnti - necessaria al mantenimento del verso della coppia - che nel motore in continua è affidata al collettore è realizzata per via elettronica. Osservando la figura 18 vediamo che:

• la posizione del rotore - e quindi campo magnetico prodotto dal magnete - è rilevata da un sensore (magnetico o ottico)
• sullo statore sono presenti tre fasi, cioè tre avvolgimenti posti a 120° uno rispetto all'altro
• un circuito di commutazione elettronico pilota le tre fasi

Nel funzionamento del motore le tre fasi sono alimentate alternativamente in base alla posizione del sensore in modo da mantenere la coppia circa costante¹⁹⁾. La logica di controllo è illustrata in figura 19, dove sono rappresentati gli andamenti di tensione, corrente e coppia²⁰⁾.

Nei motori brushless sono previsti una serie di accorgimenti che ne migliorano le prestazioni:

• lo statore può ospitare più di tre fasi
• le fasi possono essere collegate a stella (come in figura 18) o a triangolo (figura 20); in quest'ultimo caso devono essere alimentate due fasi alla volta (figura 21)
• il rotore può aver quattro poli; in questo caso ogni fase deve essere attivata due volte per giro²¹⁾

Il motore brushless è più complicato e costoso di quello in continua ma presenta:

• maggiore affidabilità, per l'eliminazione dei contatti striscianti
• migliori prestazioni, grazie a un rotore più leggero
• migliore rendimento

I motori passo-passo (o stepper) convertono una sequenza di impulsi elettrici in una rotazione angolare multipla di un angolo fisso detto passo. Con questi motori è possibile ottenere:

• rotazioni di un angolo ben definito, con un opportuna sequenza di impulsi
• una rotazione continua a velocità costante, ripetendo una determinata sequenza nel tempo

E' possibile così realizzare controlli di posizione e di velocità in maniera molto semplice e in catena aperta, senza bisogno di trasduttori di posizione o di sofisticati sistemi di controllo. Questo grosso vantaggio, insieme a una buona robustezza, rendono l'impiego del motore passo-passo particolarmente vantaggioso in molte applicazioni dell'automazione (dalla robotica alle periferiche per PC, alle macchine a controllo numerico).

I difetti del motore passo-passo sono:

• un rapporto peso/potenza sfavorevole
• prestazioni meccaniche inferiori a quelle di brushless e motori in continua
• problemi di instabilità in condizioni particolarmente gravose (si dice che il motore “perde il passo”)

Esistono due tipologie di motore passo-passo:

• a magnete permanente, più economici e con maggiore potenza
• a riluttanza variabile, più veloci e con risoluzioni maggiori

Nei motori a magnete permanente - i più diffusi - il rotore ospita una o più coppie di poli mentre lo statore presenta delle espansioni polari con avvolgimenti che, percorsi da corrente, si comportano da elettromagneti. In base al verso delle correnti si distingue tra:

• motori bipolari, dove la corrente può circolare in entrambi i versi (figura 23a)
• motori unipolari, dove la corrente ha un unico verso (figura 23b)

I primi risultano più compatti, i secondi sono più semplici da pilotare²²⁾.

Il funzionamento del motore può essere facilmente compreso osservando il modello semplificato di figura 24 (bipolare) e figura 25 (unipolare): attivando le varie fasi si producono quattro possibili combinazioni a cui corrispondono quattro posizioni ben precise del rotore. In entrambi i casi, ma con pilotaggio differente, il passo vale 90° (nei motori commerciali la precisione è molto maggiore e si va da 24 a 200 passi per giro).

Osservando ancora le figure 24 e 25 - si noti che la soluzione bipolare e quella unipolare danno luogo allo stesso numero di posizioni - è possibile:

• azionare una fase alla volta
• azionare due fasi per volta, ottenendo lo stesso passo ma una coppia maggiore
• combinare i due metodi e dimezzare il passo ma con una coppia irregolare dovuta all'alternarsi del contributo di una sola fase o due (vedi figura 26)

I motori passo-passo a riluttanza variabile sono privi di magneti ma hanno un rotore dentato che si dispone, in base all'alimentazione delle fasi di statore, in modo da minimizzare la riluttanza del circuito magnetico. In pratica le espansioni polari sul rotore si “allineano” al campo magnetico generato nello statore. Questi motori permettono di raggiungere velocità e risoluzioni più elevate, ma sono più costosi e hanno minor coppia rispetto a quelli a magneti permanenti.

Il motore passo-passo ha discrete prestazioni e alcune caratteristiche interessanti - ad esempio può girare piano senza riduttori e può mantenere il rotore bloccato - ma presenta dei difetti:

• il movimento, specie alle velocità più basse, è a scatti
• la caratteristica meccanica allo spunto è peggiore rispetto che a regime
• può perder il passo e fermarsi o comportarsi in maniera instabile se spinto a velocità troppo elevate o in corrispondenza di brusche variazioni di velocità

I motori unipolari possono essere pilotati in maniera molto semplice, come nello schema di figura 27a; quelli bipolari richiedono una struttura ponte H come quella vista per i motori in continua. Per entrambi esistono soluzioni integrate, come l'L297 (controllore switching) da accoppiare al driver di potenza L298 (ponte H).

Il motore asincrono è il motore più utilizzato nell'industria perché:

• è robusto ed affidabile
• è economico
• ha un buon rapporto peso/potenza
• può essere alimentato direttamente dalla rete
• funziona a velocità quasi costante

Queste caratteristiche rendono il suo utilizzo vantaggioso in molti campi, ma non in quello dell'automazione perché:

• è difficile da controllare
• non ha buone prestazioni allo spunto

E' possibile mitigare entrambi i problemi alimentando il motore con un inverter invece che direttamente dalla rete; tuttavia nelle applicazioni che richiedono prestazioni elevate e precisione il suo uso resta sconsigliato.

Il motore è detto asincrono perché il campo magnetico che si genera al suo interno e il rotore non girano alla stessa velocità: il rotore “insegue” il campo magnetico ma la sua velocità resta sempre (appena) inferiore. L'asincrono è chiamato anche motore ad induzione perché nel circuito posto sul rotore le correnti circolano per effetto dell'induzione e senza bisogno di contatti striscianti.

Prendiamo in esame il motore asincrono più comune: quello trifase a gabbia di scoiattolo. Il motore è composto da:

• uno statore in ferro laminato, di forma cilindrica e vuoto al centro, che ospita tre avvolgimenti disposti a 120° uno rispetto all'altro
• un rotore cilindrico in ferro laminato che ospita un circuito fatto di sbarre di alluminio cortocircuitate alle estremità da due anelli (la gabbia da cui prende il nome)

La particolare struttura del rotore, costituito solo di elementi metallici e privo di contatti striscianti, conferisce robustezza al motore; la semplicità costruttiva e l'impiego di materiali non pregiati contribuisce al basso costo.

Il campo magnetico rotante che caratterizza questo motore non è prodotto da magneti permanenti ma dalla circolazione di corrente nei tre avvolgimenti corrispondenti alle tre fasi. Ognuna di queste genera un campo magnetico di direzione costante e ampiezza pulsante con legge sinusoidale; il campo risultante invece ha ampiezza costante e ruota a una velocità che dipende dalla frequenza di alimentazione (vedi questa animazione).

A grandi linee il principio di funzionamento è il seguente:

• il campo magnetico rotante induce delle correnti nella gabbia del rotore
• le correnti interagiscono col campo magnetico e danno luogo a delle forze
• l'effetto complessivo è una coppia motrice che pone in rotazione il motore

Ricordando la legge di Lenz si può osservare come il movimento del rotore tenda a contrastare la causa che ha prodotto le correnti indotte, cioè il fatto che il campo magnetico rotante si muove rispetto al rotore. Si intuisce allora il motivo per cui il rotore non può girare alla velocità del campo magnetico rotante: se così fosse il campo sarebbe fermo rispetto al rotore e non ci sarebbero né correnti indotte né la coppia necessaria a mantenere il motore in rotazione.

Nel normale funzionamento, il motore asincrono ruota a una velocità leggermente inferiore a quella - costante - del campo magnetico rotante, calcolabile come:

`omega_text(campo)=omega/p=(2 pi f)/p`

dove ω è la pulsazione di rete e p il numero di coppie di poli con cui è realizzato lo statore (solitamente 2, 4 o 6). La differenza relativa tra le due velocità è chiamata scorrimento ed è un parametro molto importante nello studio del motore:

`s=(omega_text(campo) - omega_text(motore))/omega_text(campo)`

La figura seguente mostra la caratteristica meccanica di un motore asincrono trifase.

Osserviamo come:

• la coppia di spunto sia piuttosto bassa
• il primo tratto, dallo spunto alla coppia massima, ha pendenza crescente e un range ampio di velocità
• nel secondo tratto, a pendenza decrescente, la velocità è quasi costante

Ne consegue che:

• il motore non è adatto a quelle applicazioni che richiedono coppia elevata allo spunto
• una volta “lanciato” il motore può funzionare anche con carichi elevati mantenendo una velocità quasi costante
• il motore non può essere sfruttato nel tratto crescente, dove il suo comportamento è instabile (una diminuzione di velocità porta ad una diminuzione della coppia fino all'arresto; un aumento di velocità fa aumentare la coppia e il funzionamento passa nel tratto stabile decrescente)

Esistono varie tecniche di regolazione del motore asincrono ma il metodo più efficace - e il più utilizzato oggi - consiste nel variare la frequenza di alimentazione utilizzando un inverter sinusoidale. Agendo sulla frequenza infatti si modifica la velocità di rotazione del campo rotante, che è prossima a quella del motore, e si ottengono una famiglia di caratteristiche come quelle in figura.

Come si vede aumentando la frequenza le caratteristiche, e in particolare il tratto stabile dove viene sfruttato il motore, traslano verso destra.

Questa tecnica ha il difetto di richiedere un costoso dispositivo elettronico di potenza per alimentare un motore che poteva essere direttamente collegato alla rete, ma permette di:

• regolare la velocità in un ampio range di valori mantenendo un funzionamento stabile
• ottenere coppie di spunto elevate
• diminuire i consumi (allo spunto il motore assorbirebbe molta corrente pur erogando bassa coppia)

In laboratorio abbiamo due inverter: un ABB ACS355-01E-04A7-2 e un Omron 3G3JV.

Un'alternativa economica agli inverter per motori asincroni (VFD) sono i soft-starter. Il loro impiego è però limitato ai casi in cui non è richiesta una coppia allo spunto elevata né una regolazione della velocità a regime (in questo senso sono più un'alternativa all'avviamento stella-triangolo che all'inverter).

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