Progetto di motori elettrici e azionamenti per carichi centrifughi

Questo lavoro di tesi riassume le attività svolte nell’ambito del dottorato di ricerca dell’autore. Le attività di ricerca sono state svolte all’interno del Laboratorio di Azionamenti Elettrici (EDLab) del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Padova, dove la maggior parte dei progetti sono svolti in collaborazione con aziende affermate nel settore dei motori elettrici. Nella collaborazione con le aziende le normative e gli standard assumono un peso determinante per l’immissione nel mercato di apparecchi che utilizzano energia elettrica, in particolare per i motori elettrici, i quali sono i principali responsabili del consumo di energia elettrica in ambito industriale e domestico. Lo scopo principale di questa tesi è quello di presentare delle soluzioni per migliorare le prestazioni energetiche di motori elettrici esistenti. Il quadro normativo `e in continua evoluzione e impone regole stringenti sull’efficienza minima di motori e azionamenti elettrici. La soluzione attualmente più diffusa per applicazioni industriali e domestiche, in particolare per macchinari centrifughi, sono i motori a induzione con gabbia di scoiattolo in alluminio al rotore. Il limite di questi motori sta nelle perdite di rotore, le quali rendono difficile raggiungere quelle classi energetiche definite come ”premium”. La soluzione proposta per superare questo limite è quello di sostituire i motori a induzione con motori sincroni, i quali non presentano perdite di rotore. In particolare i motori a magneti permanenti sono i migliori candidati grazie alla loro capacità di raggiungere valori elevati di efficienza. Nella sostituzione dei motori a induzioni con altre tipologie di motori, dal punto di vista delle aziende che producono motori elettrici in serie, conviene adottare la stessa struttura meccanica dove possibile. Ad esempio è possibile utilizzare case e geometrie di statore standard, questo permette di ridurre i costi dei componenti e di utilizzare le linee di montaggio esistenti. Di conseguenza in questo studio `e progettata solo la geometria di rotore. I motori sincroni proposti in questa tesi sono di due tipi: motori sincroni azionati da inverter e motori sincroni auto avvianti direttamente da rete. Nel caso di motori sincroni azionanti da inverter la ricerca comprende anche lo sviluppo del firmware di controllo per l’azionamento. L’algoritmo di controllo proposto è di tipo sensorless, il quale permette di evitare l’utilizzo del sensore di posizione/velocità con conseguente riduzione del costo e dimensioni dell’azionamento.This thesis summarizes the activities carried out as part of the author’s PhD. The research activities were carried out within the Electric Drive Laboratory (EDLab) of the Department of Industrial Engineering of the University of Padova, where most of the projects are carried out in collaboration with established companies in the field of electric motors. In the collaboration with the companies, regulations and standards have a decisive weight for the introduction in the market of devices that use electrical energy, in particular for electric motors, which are the main responsible for the consumption of electrical energy in industrial and domestic environments. The main purpose of this thesis is to present solutions to improve the energy performance of existing electric motors. The regulatory framework is constantly evolving and imposes stringent rules on the minimum efficiency of electric motors and drives. The currently most popular solution for industrial and civil applications, in particular for centrifugal machinery, are induction motors with aluminium squirrel cage. The limitation of these motors lies in the rotor losses, which make it difficult to achieve those energy classes defined as ”premium”. The proposed solution to overcome this limitation is to replace induction motors with synchronous motors, which do not have rotor losses. In particular, permanent magnet motors are the best candidates due to their ability to achieve high efficiency. When replacing induction motors with other types of motors, from the motor manufacturer point of view, it is better to adopt the same mechanical structure where possible, in particular in case of series production. For example, it is possible to use standard outer casings and standard stator geometries, which allows to reduce component costs and to use existing assembly lines. Consequently, only the rotor geometry is designed in this study. The synchronous motors proposed in this thesis are of two types: inverter driven synchronous motors and self starting synchronous motors directly from the grid. In the case of inverter-driven synchronous motors, the research also includes the development of the control firmware for the drive. The proposed control algorithm is sensorless, which allows to avoid the use of the position/speed sensor with consequent reduction of cost and dimensions of the drive