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NOVEMBRE-DICEMBRE 2017
AUTOMAZIONE OGGI 402
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mento, massimizzando la coppia per amp per il maggior numero
di punti possibile. A volte questo risultato si ottiene tramite un de-
sign intelligente della macchina, altre volte implementando una
tecnica di controllo appropriata. Inverter, dispositivo di controllo
e motore: tutti questi elementi devono funzionare bene insieme
per raggiungere l’obiettivo, ma spesso essi vengono sviluppati se-
paratamente, causando problemi quali, ad esempio, una grande
differenza di efficienza tra motore e inverter. Per questo motivo,
i tecnici che lavorano a livello di sistema cercano di massimizzare
il Fattore di Potenza in tutto il sistema. Potrebbe valere la pena di
utilizzare un motore leggermente meno efficiente, se questo può
aumentare l’efficienza della trasmissione del motore.
Quali alimentatori vengono usati?
Gli alimentatori per queste applicazioni sono quasi sempre bat-
terie; a volte, però, è possibile che sia presente un sistema di rad-
drizzatori da una linea di corrente che crea un bus c.c.. Questo
bus c.c. può essere sollevato o abbassato per mezzo di un con-
vertitore c.c.-c.c. che alimenta un inverter. Il convertitore c.c.-c.c.
può anche essere incluso in un sistema di batterie per regolare
il bus c.c. al livello accettato dall’inverter. Queste batterie sono
in genere batterie a ioni di litio nella gamma 200-400 Volt per le
applicazioni automotive, ma possono arrivare anche a 600-800
Volt. Non molti utenti hanno scelto di andare oltre questi valori
perché lavorare con un potenziale di corrente continua così alto
può essere molto difficile.
Il ruolo dell’inverter
L’inverter è una parte molto importante del sistema perché è
responsabile della conversione della potenza e delle funzioni di
controllo. Gli inverter sono solitamente composti da sei inter-
ruttori (per il funzionamento trifase) che si aprono e si chiudono
secondo una determinata sequenza per generare corrente alter-
nata. Questa sequenza viene eseguita a una frequenza di commu-
tazione solitamente compresa tra 9 kHz e 25 kHz. Se inferiore ai
9 kHz, la frequenza diventa chiaramente udibile, ma è necessaria
per le applicazioni con elevata potenza, in modo da tagliare le
perdite. Le frequenze di commutazione più alte sono limitate dai
limiti fisici degli interruttori e dalle maggiori perdite di commu-
tazione. Solitamente si tratta di interruttori Igbt o Mosfet, dove è
il livello di corrente a determinare la scelta dell’interruttore. I Mo-
sfet sono solitamente scelti per le basse potenze. Gli Igbt invece
sono destinati a potenze maggiori. Maggiori frequenze consen-
tono di usare dispositivi passivi più piccoli e avere un maggiore
controllo. Di conseguenza è stato investito molto nei dispositivi
con ampia band gap. I più comuni sono i dispositivi al carburo di
silicio o nitruro di gallio (GAN). Questi dispositivi hanno minori
perdite e possono solitamente funzionare con correnti e fre-
quenze di commutazione maggiori. Hanno costi proibitivi e non
sono molto robusti attualmente, ma sono il futuro.
Assumere il controllo?
Il controllo è un tema su cui la maggior parte delle persone non
ama divulgare informazioni specifiche. Si tratta di un software,
quindi è facile tenerlo nascosto. Il responsabile del controllo
guarda la velocità e la coppia e determina la frequenza di commu-
tazione, il metodo di modulazione a larghezza di impulso (PWM) e
il modo per ottimizzare l’efficienza. Questi aspetti possono variare
velocemente durante un ciclo. La maggior parte dei metodi di
controllo, indipendentemente dal tipo di motore, sono una ver-
sione del controllo a orientamento di campo (FOC). Attualmente
sta aumentando la tendenza a utilizzare controlli di corrente di
tipo deadbeat, per cui tutti i controlli saranno controlli a loop
chiuso. Il dispositivo di controllo è il punto in cui avviene la trasfor-
mazione diretta e in quadratura (dq0) del quadro di riferimento. Si
tratta di una traslazione matematica per visualizzare e controllare
la PWM in base a quanto serve al sistema; una semplice mani-
polazione di seno e coseno con una posizione di riferimento per
fare in modo che 3 fasi sembrino 2 (aspetto non banale). Ci sono
voluti 50 anni per capire e controllare la macchina a induzione dal
punto di vista della matematica. È incredibile che si sia iniziato a
utilizzare la macchina 50 anni prima di capirla.
I modelli devono essere
validati
Tutti usano modelli a computer prima di fare qual-
siasi cosa. I modelli costano poco e possono essere
azionati molto rapidamente in maniera ottimizzata.
La costruzione di motori e dispositivi di controllo
non è un processo rapido; l’ottimizzazione dei mo-
tori e dei dispositivi di controllo viene effettuata
tramite modelli e FEA. Tutti passano da questa fase
prima di costruire qualsiasi cosa. I modelli sono ot-
timi per prevedere il comportamento dei motori e
degli inverter e sono uno strumento incredibilmente
utile. La maggior parte delle aziende si avvale di un
team di ingegneri dedicato che lavora sui modelli.
I ricercatori apprezzano la validazione dei modelli
perché consente loro di riporre maggiore fiducia
negli stessi e quindi utilizzarli per prevedere il com-
portamento dei motori e degli inverter. La valida-
zione dei modelli è un campo in cui entrano in gioco
prodotti HBM. La maggior parte delle applicazioni ha delle restri-
zioni in termini di dimensioni e costi che influiscono su molte va-
riabili prima ancora dell’inizio della progettazione del motore. È
quindi possibile scegliere la topologia e i minimi dettagli in base
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