Controllo scalare e vettoriale dei motori a induzione: qual è la differenza?

Motore asincrono — un motore a corrente alternata in cui le correnti negli avvolgimenti dello statore creano un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico induce correnti nell'avvolgimento del rotore e, agendo su queste correnti, trascina con sé il rotore.

Tuttavia, affinché il campo magnetico dello statore rotante induca correnti in un rotore rotante, il rotore nella sua rotazione deve rimanere leggermente indietro rispetto al campo dello statore rotante. Pertanto, in un motore a induzione, la velocità del rotore è sempre leggermente inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico (che è determinata dalla frequenza della corrente alternata che alimenta il motore).

La decelerazione del rotore dal campo magnetico rotante dello statore (slittamento del rotore) maggiore è, maggiore è il carico del motore. La mancanza di sincronizzazione tra la rotazione del rotore e il campo magnetico dello statore è una caratteristica del motore asincrono, da cui il nome.

Il campo magnetico rotante nello statore è generato da avvolgimenti alimentati da correnti sfasate. La corrente alternata trifase viene solitamente utilizzata per questo scopo. Esistono anche motori a induzione monofase in cui lo sfasamento tra le correnti negli avvolgimenti viene creato includendo diverse reattanze negli avvolgimenti.

Per regolare la velocità angolare di rotazione del rotore, nonché la coppia sull'albero dei moderni motori brushless, viene utilizzato il controllo vettoriale o scalare dell'azionamento elettrico.

Controllo scalare

Era il più comune controllo di un motore asincrono scalare, quando, ad esempio, per controllare la velocità di rotazione di un ventilatore o di una pompa è sufficiente mantenere costante la velocità di rotazione del rotore, per questo è sufficiente un segnale di retroazione da un sensore di pressione o da un sensore di velocità.

Il principio del controllo scalare è semplice: l'ampiezza della tensione di alimentazione è una funzione della frequenza, essendo il rapporto tensione/frequenza approssimativamente costante.

La forma specifica di questa dipendenza è correlata al carico sull'albero, ma il principio rimane lo stesso: aumentiamo la frequenza e la tensione aumenta proporzionalmente a seconda della caratteristica di carico del motore dato.

Di conseguenza, il flusso magnetico nello spazio tra il rotore e lo statore viene mantenuto pressoché costante. Se il rapporto tensione/frequenza si discosta dal valore nominale di un motore, il motore sarà sovraeccitato o sottoeccitato, con conseguenti perdite del motore e malfunzionamenti del processo.

Pertanto, il controllo scalare consente di ottenere una coppia dell'albero quasi costante nell'intervallo di frequenza operativa, indipendentemente dalla frequenza, ma a bassi giri la coppia diminuisce ancora (per evitare ciò, è necessario aumentare il rapporto tra tensione e frequenza ), quindi , per ogni motore esiste un intervallo di controllo scalare operativo rigorosamente definito.

Inoltre, è impossibile costruire un sistema di controllo della velocità scalare senza un sensore di velocità montato sull'albero poiché il carico influisce notevolmente sul ritardo della velocità effettiva del rotore rispetto alla frequenza della tensione di alimentazione. Ma anche con un sensore di velocità con controllo scalare non sarà possibile regolare la coppia con elevata precisione (almeno non economicamente fattibile).

Questo è lo svantaggio del controllo scalare, che spiega la relativa scarsità delle sue applicazioni, limitate principalmente ai motori a induzione convenzionali, dove la dipendenza dello scorrimento dal carico non è critica.

Controllo vettoriale

Per eliminare queste carenze, nel 1971, gli ingegneri Siemens hanno proposto di utilizzare il controllo vettoriale del motore, in cui il controllo viene eseguito con feedback sull'entità del flusso magnetico. I primi sistemi di controllo vettoriale contenevano sensori di flusso nei motori.

Oggi l'approccio a questo metodo è leggermente diverso: il modello matematico del motore consente di calcolare la velocità del rotore e il momento dell'albero in base alle correnti di fase correnti (dalla frequenza e dai valori delle correnti negli avvolgimenti dello statore) .

Questo approccio più progressivo consente un controllo indipendente e quasi inerziale sia della coppia dell'albero che della velocità dell'albero sotto carico, in quanto il processo di controllo tiene conto anche delle fasi delle correnti.

Alcuni sistemi di controllo vettoriale più precisi sono dotati di anelli di retroazione della velocità, mentre i sistemi di controllo senza sensori di velocità sono chiamati sensorless.

Quindi, a seconda del campo di applicazione di questo o quell'azionamento elettrico, il suo sistema di controllo vettoriale avrà le sue caratteristiche, il suo grado di precisione di regolazione.

Quando i requisiti di precisione per la regolazione della velocità consentono una deviazione fino all'1,5% e l'intervallo di regolazione non supera 1 su 100, allora il sistema sensorless va bene. Se è richiesta la precisione della regolazione della velocità con una deviazione non superiore allo 0,2% e l'intervallo è ridotto da 1 a 10.000, è necessario disporre di feedback per il sensore di velocità dell'albero. La presenza di un sensore di velocità nei sistemi a controllo vettoriale consente un controllo preciso della coppia anche a basse frequenze fino a 1 Hz.

Quindi, il controllo vettoriale presenta i seguenti vantaggi. Elevata precisione della regolazione della velocità del rotore (e senza un sensore di velocità su di esso) anche in condizioni di carico sull'albero che cambia dinamicamente, mentre non ci saranno scosse. Rotazione regolare e uniforme dell'albero a bassi giri. Alta efficienza grazie alle basse perdite in condizioni di caratteristiche di tensione di alimentazione ottimali.

Il controllo vettoriale non è privo di inconvenienti. La complessità delle operazioni computazionali.La necessità di impostare i dati iniziali (parametri variabili dell'azionamento).

Per un azionamento elettrico di gruppo, il controllo vettoriale è fondamentalmente inadatto, qui il controllo scalare è migliore.