Motori a commutatore vs motori a induzione nelle applicazioni industriali

Se oggi state scegliendo un nuovo azionamento industriale, la scelta più sicura è un motore a induzione trifase con un azionamento moderno. Commutatore Le macchine continuano ad avere importanza, ma principalmente nei motori pesanti tradizionali e in alcuni settori di nicchia in cui la velocità è fondamentale. La maggior parte degli impianti investe il proprio capitale nell'abbandono delle spazzole, anziché nell'aggiunta di ulteriori unità. Questa è la direzione indicata sia dal mercato che dai dati relativi alla manutenzione.

Verdetto rapido prima della lunga storia

Negli ambienti industriali, i motori a induzione sono diventati lo standard perché sono strutturalmente semplici, economici da produrre in grandi quantità, resistenti agli abusi e richiedono pochissima manutenzione oltre ai cuscinetti e al sistema di raffreddamento.

I motori a commutatore si sono guadagnati un posto nella storia grazie alla loro elevata coppia di avviamento, all'ampia gamma di velocità e al controllo preciso della coppia, molto prima che gli azionamenti elettronici ad alta potenza diventassero di uso comune. Proprio per questo motivo, gli azionamenti a commutatore CC hanno alimentato laminatoi, macchine per la produzione di carta e macchine utensili pesanti per decenni.

Una volta che i motori a induzione a controllo vettoriale e le macchine a magneti permanenti sono diventati pratici ed economici, tale vantaggio si è ridotto. Per la maggior parte dei nuovi impianti, i numeri non giustificano più l'uso di un commutatore, a meno che non si debba risolvere un problema specifico e ben definito o si debbano mantenere in funzione risorse esistenti.

Cosa si intende qui per “motore a commutatore”

L'espressione viene usata in modo approssimativo, quindi è utile precisarne il significato e andare avanti.

Gli ingegneri industriali solitamente si occupano di tre grandi famiglie di commutatori. Innanzitutto, i classici motori a corrente continua con commutazione meccanica: motori in serie, in derivazione, composti e a magneti permanenti. Questi alimentavano acciaierie, linee di produzione della carta, macchine avvolgitrici e i primi robot, poiché il controllo del campo e dell'armatura garantisce un comportamento velocità-coppia quasi lineare.

In secondo luogo, le macchine con commutatore CA, come i motori universali, i motori a repulsione e i vecchi modelli a repulsione-induzione. Questi sono comuni nei piccoli dispositivi ad alta velocità e negli utensili portatili in cui si desidera una coppia aggressiva e dimensioni compatte, ma si accetta un rumore più elevato, una durata più breve e un'efficienza inferiore.

Terzo, macchine a commutatore CA più esoteriche come il motore Schrage: in pratica una macchina a induzione con rotore avvolto più convertitore di frequenza integrato, che utilizza la posizione della spazzola per controllare la velocità e il fattore di potenza. Si trattava di una soluzione intelligente a velocità variabile per azionamenti tessili, tappeti e simili prima che gli inverter a stato solido prendessero il sopravvento.

Dall'altra parte del confronto si trovano i motori a induzione monofase e trifase. Nell'industria si utilizzano principalmente unità trifase a gabbia di scoiattolo. Questi sono attualmente il tipo di motore dominante nelle fabbriche di tutto il mondo.

Compromessi fondamentali che cambiano realmente il tuo impianto

Coppia, gamma di velocità e comportamento dinamico

Se si tracciano le curve coppia-velocità dei principali attori, il motivo per cui gli azionamenti a commutatore CC erano molto apprezzati nelle linee di produzione dell'acciaio e della carta è evidente. Con il controllo della tensione dell'armatura e dell'indebolimento del campo, i motori CC offrono un'ampia regione di coppia costante e un'ampia regione di potenza costante, con una relazione abbastanza lineare tra la tensione comandata e la velocità dell'albero. Ciò rende il controllo della tensione, la velocità coordinata della linea e il funzionamento a quattro quadranti quasi una routine.

I motori universali e i tipi simili di commutatori CA rappresentano l'altro estremo. La coppia di avviamento elevata, la velocità di base elevata e i limiti meccanici piuttosto che quelli elettrici tendono a limitare la velocità. Tollera frequenti cicli di avvio-arresto e può essere azionato con forza, motivo per cui viene utilizzato in utensili e apparecchi compatti.

I motori a induzione a frequenza fissa sono più limitati. Senza un azionamento, la finestra di velocità è ristretta intorno alla velocità sincrona, con uno scorrimento che offre una certa conformità ma non un ampio intervallo continuo. Le macchine a induzione di grandi dimensioni possono fornire una coppia di avviamento adeguata se progettate appositamente, ma per avviamenti impegnativi e inversioni frequenti necessitano dell'ausilio di azionamenti, resistenza del rotore (vecchi modelli con rotore avvolto) o metodi di avviamento graduale.

I moderni azionamenti a induzione con controllo vettoriale hanno cambiato questo quadro. Essi emulano il controllo della corrente e il comportamento disaccoppiato della coppia/flusso fornito dagli azionamenti a commutatore CC, offrendo una risposta rapida della coppia e un ampio intervallo di velocità utilizzando motori a gabbia di scoiattolo standard. Dal punto di vista dell'ingegnere di controllo, una macchina a induzione ora sembra molto simile alla vecchia opzione CC, specialmente nella regione di coppia costante.

Quindi, in termini di coppia e velocità, i motori a commutatore continuano a dare buoni risultati, ma i motori a induzione hanno ridotto così tanto il divario che la penalizzazione dovuta alla complessità meccanica inizia a diventare determinante.

Controllo stack ed elettronica di potenza

Storicamente, gli azionamenti con commutatore CC erano interessanti perché i raddrizzatori e i controlli chopper erano più economici e più facili da scalare rispetto agli inverter a frequenza variabile ad alta potenza. L'impianto poteva mantenere una semplice alimentazione CA e concentrare la maggior parte della sofisticatezza in un pannello di azionamento CC.

Questa argomentazione è ormai superata. Gli inverter IGBT e ora quelli basati su SiC, insieme a schemi di controllo orientati al campo ormai maturi, rendono gli azionamenti CA semplici da specificare e acquistare. Un tipico motore a induzione trifase più un VFD standard è ora la combinazione di base del catalogo sia per i carichi a velocità costante che per quelli a velocità variabile.

Le macchine con commutatore CA, come i motori Schrage, hanno cercato di risolvere il problema della velocità variabile prima dell'avvento dell'elettronica, integrando il “convertitore” nel rotore e nel commutatore stesso, regolando la forza elettromotrice iniettata con la posizione delle spazzole. Si trattava di una soluzione elegante dal punto di vista intellettuale, ma delicata dal punto di vista meccanico. Garantiva una variazione di velocità fluida e la correzione del fattore di potenza, ma richiedeva più rame, più carbonio e più elementi da allineare. Gli impianti moderni preferiscono gli ingranaggi a stato solido negli armadi rispetto ai contatti scorrevoli all'interno del rotore.

Per i nuovi progetti, la semplicità di controllo favorisce ora le macchine a induzione: motori standard, azionamenti standard, strumenti diagnostici standard. I motori a commutatore vengono ora utilizzati principalmente dove sono già presenti azionamenti e quadri di comando esistenti e dove i vantaggi economici di una conversione completa sono scarsi.

Affidabilità e realtà della manutenzione

La differenza strutturale è evidente. I motori a induzione non hanno spazzole né commutatori; il rotore è a gabbia di scoiattolo o avvolto con anelli di contatto solo in casi particolari. Un numero inferiore di punti di contatto meccanici comporta una minore usura delle superfici. Ciò si traduce direttamente in una minore manutenzione e in intervalli di funzionamento continuo più lunghi.

I motori a commutatore sacrificano questa semplicità a favore delle prestazioni. Le spazzole si consumano. I segmenti del commutatore devono essere puliti, rifiniti o lavorati. Si ottengono polvere di carbonio, rumore meccanico e una durata limitata delle spazzole che deve essere programmata nei periodi di fermo macchina. I motori universali aggiungono inoltre un rumore acustico e vibrazioni più elevati, tollerabili negli utensili portatili ma meno accettabili in prossimità degli operatori che svolgono turni di lavoro lunghi.

In un'acciaieria o in una macchina per la produzione di carta con grandi motori a corrente continua con commutatore, questi interventi di manutenzione sono considerati parte integrante della gestione dell'impianto. Molti di questi siti dispongono di competenze interne avanzate per la manutenzione delle spazzole e dei commutatori. Ciò attenua l'impatto, ma non lo elimina. Ogni fermo macchina non programmato dovuto al guasto delle spazzole continua ad essere costoso.

Quando l'affidabilità e il tempo di funzionamento sono fattori molto importanti e quando si dispone di più motori simili in un impianto, le macchine a induzione ottengono un forte vantaggio statistico semplicemente perché hanno meno interfacce elettromeccaniche mobili.

Efficienza e costo energetico nel corso della vita utile

I motori a induzione nudi sono già efficienti, specialmente nella loro zona di funzionamento nominale. I modelli a efficienza premium e super premium migliorano ulteriormente tale efficienza e la pressione normativa mantiene questa tendenza.

I motori a commutatore subiscono perdite aggiuntive di rame e perdite di contatto sulle spazzole. I motori universali, in particolare, dissipano una parte notevole della potenza in ingresso sotto forma di calore e rumore; ciò è tollerabile nelle macchine di piccole dimensioni a funzionamento intermittente, ma è poco adatto per il funzionamento industriale continuo.

Con un azionamento nel circuito, il confronto si sposta sull'efficienza del sistema. Un motore a induzione abbinato a un moderno VFD è in grado di mantenere una buona efficienza su un ampio intervallo di velocità, nonostante le perdite di commutazione e filtraggio. I sistemi a commutatore CC con controlli SCR o chopper più datati possono apparire meno vantaggiosi se si includono le perdite dell'azionamento, le perdite di campo e i maggiori requisiti di raffreddamento.

Su un bene industriale di lunga durata che funziona molte ore all'anno, pochi punti percentuali di efficienza del sistema fanno una differenza molto evidente nel costo totale di proprietà. Questo è uno dei motivi meno evidenti per cui molti impianti sono disposti ad affrontare lavori di retrofit meccanico ed elettrico per passare dai commutatori CC agli azionamenti a induzione CA o sincroni PM.

Sicurezza, ambiente e conformità

Le spazzole generano scintille e polvere di carbonio. Per le aree polverose, infiammabili o che richiedono la massima pulizia, ciò non è solo scomodo, ma può anche essere motivo di squalifica. Gli azionamenti per aree pericolose basati su macchine a induzione a basso slittamento con involucri adeguati e metodi di protezione certificati sono ormai lo standard.

Il rumore è un altro problema pratico. I motori universali e molti altri motori a commutatore producono un rumore meccanico ed elettromagnetico più elevato rispetto alle macchine a induzione comparabili. Ciò è accettabile per gli utensili manuali intermittenti, ma rappresenta un problema per il funzionamento continuo quando si cerca di rispettare i limiti di rumore in un reparto di produzione.

Dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, l'arco elettrico del commutatore può generare rumore a banda larga negli strumenti vicini. Anche i moderni VFD non sono esenti da colpa, ma con pratiche di mitigazione ben note (filtri, progettazione dei cavi, messa a terra) sono più facili da controllare rispetto al rumore incontrollato delle spazzole all'interno di un involucro condiviso.

Riepilogo affiancato

Per mantenere concreta la discussione, la tabella sottostante riassume il confronto tra le tre famiglie principali che gli ingegneri industriali vedono effettivamente.

Dove i motori a commutatore continuano a guadagnarsi il loro spazio

Se i nuovi azionamenti a induzione sono così interessanti, perché le macchine a commutatore continuano ad avere importanza nelle discussioni industriali? Principalmente perché gli impianti non partono sempre da zero.

I grandi azionamenti con commutatore CC nell'industria siderurgica, cartaria e in settori simili esistono ancora in gran numero. Il treno meccanico e le fondamenta che li circondano sono stati costruiti appositamente per quella macchina. Sostituire tutto con macchine a induzione o PM e nuovi azionamenti può richiedere importanti lavori di ingegneria civile, nuovi sistemi di raffreddamento e un nuovo cablaggio. Laddove il rischio meccanico è elevato o i tempi di fermo sono costosi, gli operatori a volte preferiscono mantenere il motore CC e modernizzare solo l'elettronica di potenza e i controlli.

Ci sono anche casi in cui sono richiesti una risposta della coppia estremamente rapida e un comportamento a bassa velocità molto preciso, e il team di ingegneri ha già acquisito una buona padronanza del controllo degli azionamenti CC. Un sistema a commutatore CC ben mantenuto può ancora funzionare bene in questi casi, anche se ora è possibile ottenere lo stesso livello di prestazioni con servoazionamenti CA o azionamenti sincroni PM in molte gamme.

Per quanto riguarda la corrente alternata, i motori universali e i tipi di commutatori simili rimangono utili ovunque si desiderino macchine estremamente compatte, ad alta velocità, a costi relativamente bassi e con cicli di funzionamento intermittenti. Molti impianti li accettano in utensili manuali, piccoli dispositivi da banco o macchinari ausiliari dove il rumore e la manutenzione sono gestibili e i costi di fermo macchina sono bassi.

I motori a commutatore AC Legacy Schrage e altri modelli simili sono ancora presenti su alcuni azionamenti a velocità variabile più datati. Ora sono considerati risorse speciali, spesso mantenute in funzione fino a quando un guasto grave non costringe a decidere se procedere con un completo aggiornamento dell'azionamento AC o con la dismissione della linea di produzione.

Perché i motori a induzione sono diventati la scelta industriale predefinita

Dal punto di vista dei componenti, un rotore a induzione trifase a gabbia di scoiattolo è difficile da battere. Si tratta di una pila di lamierini e barre, cortocircuitati alle estremità. Nessun contatto elettrico scorrevole, nessun commutatore e nessun avvolgimento di campo sul rotore. Questa geometria lo rende resistente e tollerante agli abusi elettrici e meccanici.

Dal punto di vista del sistema, questi motori si abbinano naturalmente agli azionamenti standard. Le aziende elettriche e le normative favoriscono la distribuzione CA. I produttori di VFD, i fornitori di involucri e i fornitori di automazione partono tutti dal presupposto che i motori a induzione siano la base di riferimento. Il risultato è un ecosistema che riduce i tempi di progettazione e i rischi del progetto se si segue il modello predefinito.

I moderni articoli industriali sottolineano ripetutamente gli stessi fattori: semplicità di costruzione, durata, bassa manutenzione richiesta e buona efficienza, specialmente al carico nominale o vicino ad esso. Recenti indagini descrivono i motori a induzione come la spina dorsale delle operazioni industriali proprio per questi motivi.

Se a ciò si aggiungono la pressione sui costi energetici e gli obiettivi di decarbonizzazione, la tendenza verso macchine a induzione o sincroniche PM ad alta efficienza diventa ancora più forte. I motori a commutatore comportano una perdita meccanica intrinseca e un onere di manutenzione che compromettono il raggiungimento di questi obiettivi.

Decisioni relative alla migrazione: mantenere o sostituire i convertitori di frequenza

Per gli ingegneri che lavorano negli impianti esistenti, la vera domanda spesso non è “quale sia teoricamente migliore”, ma “se sia già il momento di ritirare questo motore a commutatore”.”

I fattori tipici che influenzano la decisione non sono romantici. Con quale frequenza sostituite le spazzole? Quanto tempo di inattività avete perso l'anno scorso a causa di guasti al commutatore o alle spazzole? Il vostro team di manutenzione locale è ancora in grado di procurarsi spazzole di qualità e competenze tecniche? Quanto sarebbe difficile modificare l'altezza dell'albero, la base e il giunto se passaste a una macchina a induzione o PM?.

In molte installazioni di azionamenti CC più datate, i produttori di azionamenti offrono ora kit di retrofit che mantengono il motore ma sostituiscono i componenti tiristori e i controlli analogici obsoleti con sistemi digitali. Ciò consente una migliore diagnostica, una migliore limitazione della corrente e un controllo in rete senza intervenire sul nucleo meccanico, garantendo una maggiore durata con un rischio minore.

Ad un certo punto, però, il costo delle revisioni programmate, della perdita di produzione dovuta a problemi imprevisti alle spazzole e dell'inefficienza energetica supera il costo di una conversione completa a un azionamento a induzione o PM. Il momento in cui si verifica questo crossover dipende dai prezzi locali dell'energia, dai margini di profitto dei prodotti e dalle prossime opportunità di arresto, non da una singola variabile tecnica.

Regole pratiche senza pretendere che siano universali

Se fossi costretto a scegliere utilizzando una serie di regole rigide, potresti procedere in questo modo, tenendo presente che ogni pianta è disordinata.

Per le nuove attrezzature industriali, scegliete un motore a induzione trifase con un VFD standard, a meno che non abbiate un motivo chiaro e documentato per non farlo. Questa combinazione copre la maggior parte dei requisiti di velocità, coppia e controllo, dalle pompe e dai ventilatori ai trasportatori, ai miscelatori, agli estrusori e agli assi di movimento a precisione moderata.

Utilizzate motori a corrente continua con commutatore quando avete a che fare con azionamenti pesanti esistenti la cui meccanica e integrazione di processo sono state progettate in base al comportamento della corrente continua e dove i tempi di fermo o i lavori civili necessari per la conversione sono inaccettabili al momento. Lavorate sul miglioramento degli azionamenti, del monitoraggio e delle pratiche di manutenzione piuttosto che sostituirli in fretta.

Tenete le macchine con commutatore CA, in particolare i motori universali, ai margini del vostro sistema industriale, a meno che non stiate risolvendo un problema che trae effettivamente vantaggio dalla loro elevata velocità e densità di coppia e che possa tollerare il loro rumore e il loro profilo di manutenzione. Riservatele per utensili e piccole macchine in cui un guasto è un inconveniente, non un incidente che coinvolge l'intero impianto.

Considerazioni finali

Nell'ingegneria industriale quotidiana, la questione commutatore contro induzione riguarda meno la teoria e più il rischio, i tempi di inattività e la competenza che il vostro team già possiede internamente.

I motori a induzione, supportati da azionamenti moderni, danno una risposta noiosa alla maggior parte delle domande, ed è proprio quello che vogliono molti impianti: una soluzione che continui a funzionare con una manutenzione minima. I motori a commutatore continuano a guadagnarsi da vivere quando le risorse legacy o esigenze prestazionali molto specifiche giustificano la maggiore complessità meccanica. Il compito dell'ingegnere è quello di capire in quale situazione si trova effettivamente, non solo quale scheda tecnica sembra migliore.