Motore asincrono: controllo ad orientamento di campo (controllo vettoriale).

Domani ho l’esame di sistemi elettronici di potenza e posto un argomento che ho trovato poco documentato e che forse potrà ritornare utile a qualcuno: il controllo ad orientamento di campo (o vettoriale) di un motore asincrono.

Nei classici azionamenti AC si è soliti pilotare un motore asincrono utilizzando un inverter. Si ha un modello elettrico del motore, si ha una caratteristica meccanica, si associa la coppia motrice e la velocità di rotazione alla tensione e alla frequenza di alimentazione statorica, e si cerca di imporre una determinata configurazione di funzionamento. La tecnica di controllo ad orientamento di campo fa qualcosa in più: controlla mediante opportuna circuiteria, l’intero azionamento (motore+inverter).Il campo rotante delle correnti di statore genera delle correnti nel rotore che a loro volta producono un campo rotante. L’interazione tra i due campi genera la coppia. Il rotore è mobile quindi la forza tangenziale trasmessa lo pone in rotazione. L’entità della forza, quindi della coppia, dipende dalla posizione reciproca dei due campi ed è massima quando i loro assi sono in quadratura.
Anche in una macchina a corrente in continua ad eccitazione indipendente, la coppia è determinata dai campi di statore e di rotore (la reazione di indotto) e dalla loro posizione reciproca. Nel caso della macchina cc però i due campi sono fermi anche rispetto allo statore. La corrente d’armatura produce un flusso magnetico, detto reazione di indotto, e la coppia è l’interazione dei flussi di statore (eccitazione) e rotore (armatura): intervenendo sulle correnti di eccitazione e d’armatura indipendentemente, mentre la loro posizione reciproca non cambia essendo l’asse del flusso di eccitazione coincidente con l’asse dei poli di statore, e l’asse del flusso di reazione determinato dalla posizione delle spazzole, i due assi sono sempre in quadratura, posizione che consente la coppia massima possibile.Nel motore asincrono si ha una sola alimentazione trifase (nella stragrande maggioranza dei casi). L’alimentazione trifase viene letta come una rappresentazione vettoriale a tre dimensioni, in cui ciascuna grandezza elettrica è un vettore:

con a,b,c le tre direzioni degli assi. Si cerca di ridurre le variabili di interesse, effettuando una doppia trasformazione di cui di seguito illustrerò solo dei richiami. La prima trasformazione che viene effettuata e la trasformazione di Clarke:

L’operazione effettuata non è altro che una trasformazione di variabili in quanto la nuova rappresentazione è ancora costituita da tre grandezze: la parte reale ed immaginaria di x e la componente omopolare. E’ possibile riottenere le tre grandezze di partenza con le seguenti equazioni di antitrasformazione. L’equazione precedente può essere ora riscritta nel seguente modo:

Una volta trasformato il sistema trifase in un sistema bifase equivalente, è necessario, per poter adottare un riferimento comune per lo statore e per il rotore, trasformare il sistema bifase stazionario in uno rotante alla velocità di sincronismo. Si effettua a tal fine una seconda trasformazione, nota come trasformata di Park, ruotando di un angolo ϑ gli assi (α, β) stazionari, come mostrato in figura :

Questa trasformazione consiste quindi nell’introdurre un vettore di rotazione U (pari a e-jϑ), per cui la  corrente nel nuovo riferimento assume la seguente forma:

che può anche essere scritta in forma matriciale in questo modo:

La componente reale del vettore corrente (isd) in questo nuovo riferimento, è chiamata componente diretta, mentre quella sull’asse immaginario (isq) è chiamata componente in quadratura. La corrente di statore viene perciò scomposta in due componenti tra loro in quadratura. Il flusso di rotore è proporzionale alla componente ad esso in fase isd, la quale non fornisce coppia ma unicamente compensa l’azione smagnetizzante della corrente di rotore. L’altra componente della corrente di statore, isq, può essere pensata come generatrice della parte di flusso statorico che interagisce con il flusso di rotore. Si ha in definitiva per la coppia un’espressione del tipo C=k’* id * iq. Un sistema di alimentazione in grado di regolare separatamente le due componenti della corrente è in grado di far funzionare l’asincrono come un motore c.c. ad eccitazione indipendente: regolando id si regola il flusso rotorico, con la regolazione di iq si regola la coppia. Le due componenti si comportano rispettivamente come la corrente di eccitazione e la corrente d’armatura di una macchina cc.

In linea di principio, quanto appena esposto rappresenta lo schema seguito per la logica di controllo. Ci serve ora sapere come realizzare la parte di potenza che riesce a implementare questo.

Si usa un inverter trifase VSI, pilotato in maniera vettoriale.

Un inverter trifase a tensione impressa, largamente utilizzato in ambito industriale per alimentare i motori asincroni, è costituito da sei interruttori statici disposti su tre rami, secondo lo schema mostrato nella figura precedente. La coppia di interruttori appartenenti allo stesso ramo deve essere comandata in modo complementare per evitare cortocircuiti sull’alimentazione. Inoltre, tra l’apertura di un interruttore e la chiusura del suo complementare (sullo stesso ramo) deve essere inserito un “tempo morto” di ritardo, in modo da permettere l’estinzione della corrente circolante nel componente di potenza che si sta aprendo. Le configurazioni relative ai possibili stati di uscita dell’inverter sono otto. A ciascuna configurazione corrisponde un ben definito sistema di tensioni d’uscita ed una ben definita corrente sul lato continua. Supponendo un collegamento a stella dei circuiti statorici del motore da alimentare, il componente simmetrico della tensione statorica applicata in ogni istante è dato da:

Si riescono ad ottenere in tal modo 8 diverse combinazioni secondo la seguente tabella:

Come si evince dall’analisi fatta ci sono sei configurazioni a modulo non nullo e due a modulo nullo che possono essere generate. Volendo, invece, generare un vettore di tensione diverso dai possibili sette bisogna utilizzare delle tecniche di modulazione che permettono di “sintetizzare” un vettore di tensione qualsiasi attraverso la generazione di una sequenza di stati on-off dei moduli di potenza. La “Space Vector Modulation” (SVM) consiste nella generazione di una sequenza di commutazione per i moduli di potenza dell’inverter all’interno di in un periodo di commutazione Ts in modo che il valore medio del vettore di spazio della tensione ottenuto sia pari a quello desiderato.

Lo schema a blocchi complessivo del controllo ad orientamento di campo prevede quindi l’uso di organi di sensing in grado di rilevare le tre correnti di alimentazione del motore. Da queste tre correnti si ricostruiscono le due componenti nel dominio di Park, e su tali valori si implementa una logica di controllo capace di generare in real-time la corretta sequenza di impulsi di controllo all’inverter che pilota il motore. Si garantisce in tal modo un controllo fine del flusso rotorico e della coppia motrice.

La teoria che regge tale tecnica di controllo era nota da molti anni, ma solamente con l’evoluzione dei computer è stato possibile realizzarla. L’algoritmo che interpreta il funzionamento del motore sulla base del modello matematico è implementato nel software della scheda a microprocessore di cui l’inverter è dotato, richiede la conoscenza di induttanze e resistenze, tra l’altro variabili per le variazioni di temperatura e delle condizioni di saturazione del circuito magnetico. Esso permette il calcolo in tempo reale della posizione del campo di rotore in base ai valori della corrente di statore modificando quest’ultima in modo da ottenere sempre la posizione più favorevole tra i due campi.

Genepax: il motore elettrico alimentato ad acqua.

In tempi di crisi energetica e di prezzi incredibili per i combustibili fossili, presi giusto in mezzo tra i ruggiti di una vecchia economia e i desideri di rivoluzione tecnologica e ambientale, in quanti non hanno sognato di vivere in un mondo senza inquinamento e ad energia illimitata? Pensate se le auto potessero viaggiare ad acqua anziché a benzina! E se fosse possibile? La società giapponese Genepax ha depositato la domanda di brevetto per un motore elettrico alimentato ad acqua. E quando dico “acqua” intendo dolce, salata o piovana. Ha il sapore di una rivoluzione, l’annuncio fatto dalla società giapponese; se tutto verrà confermato, dopo un immancabile lunga fase industriale post-prototipo, potrebbe essere una pensata destinata a stravolgere l’ordine attuale delle cose.
Kiyoshi Hirasawa, CEO dell’azienda ,ha dichiarato che il motore, con un solo litro di acqua, sarebbe in grado di far viaggiare un’auto per circa un’ora a 80 km orari. Il motore funziona grazie a un generatore che converte in energia elettrica l’acqua versata nella tanica, posizionata sulla parte posteriore dell’auto, secondo quanto ha spiegato Hirasawa all’emittente di Tokyo.
‘Non c’è bisogno di costruire un’infrastruttura per ricaricare le batterie, come avviene di solito per la maggior parte delle auto elettriche’, ha aggiunto Hirasawa.
Hirasawa ha ammesso che l’applicazione pratica non è nel futuro immediato e spera che il brevetto sia di interesse delle grandi case automobilistiche giapponesi. Serve ancora una fase di sviluppo e bisogna sperare che almeno uno dei grandi produttori creda in questa prospettiva.
Intanto, le maggiori case automobilistiche stanno lavorando per la realizzazione di automobili a pile che funzionano a idrogeno e che producono acqua, invece che consumarla.