SERVOPOMPE: UN SETTORE IN COSTANTE CRESCITA

Come già illustrato negli articoli (La manutenzione si evolve e prolunga la vita di pompe e compressori e Evoluzione dei sistemi di pompaggio industriale e diffusione delle servopompe ) le servopompe rappresentano un ottimo esempio di integrazione tecnologica di molteplici campi quali la meccanica, l’idraulica, l’elettronica di controllo e molti altri che rendono questa tipologia di macchina un esempio eccellente  di modello complesso. Attualmente i loro principali settori di applicazione sono l’aereonautica, lo stampaggio ad iniezione, il trasporto ferroviario, la metallurgia e l’oil&gas ma la crescente attenzione alla riduzione delle emissioni gli sta aprendo la strada anche verso nuovi contesti, grazie ai bassi consumi energetici e alla versatilità che offrono. Tutto ciò rende le servopompe e i servocompressori il centro di numerose ricerche e studi volti a migliorarne le funzionalità.   

Pompe tradizionali e servopompe, quali sono le differenze?

Prima di addentrarci ulteriormente nell’argomento, ricapitoliamo brevemente come sono composte una pompa tradizionale e una servopompa. Le prime funzionano con un motore a velocità fissa che attiva una pompa a cilindrata variabile che fa circolare l’olio verso il cilindro idraulico. I principali vantaggi di questa tecnologia sono una risposta dinamica rapida e un’elevata precisione di controllo, caratteristiche per cui nel passato è stata ampiamente utilizzata nel settore aerospaziale e nell’automazione industriale. La principale problematica risiede nel fatto che anche quando l’utilizzatore finale è fermo il motore a velocità fissa mantiene comunque la pompa in funzione, facendo circolare l’olio all’interno del circuito, causando un consumo energetico elevato ed un’usura maggiore che obbliga a manutenzioni più frequenti. Le servopompe invece utilizzano una pompa  a portata fissa unita ad un motore sincrono accoppiato con inverter che non deve mantenere una velocità costante ma, anzi, funziona efficacemente su diversi intervalli di velocità adattandosi ai requisiti effettivi del ciclo macchina, facendo sì che il fluido non circoli più costantemente ma si muova solo quando vi è una reale necessità. Il principale vantaggio di questa tecnologia è un inferiore spreco di energia che comporta una minor energia termica dispersa, quindi sistemi di raffreddamento più contenuti, e un rapporto peso/potenza più elevato. 

Le non linearità

Per aumentare il campo di applicazione di queste macchine è stato necessario migliorare i tempi di risposta e la precisione nel posizionamento dell’attuatore; ciò è stato ottenuto tramite lo sviluppo dei sistemi di controllo e lo studio dei meccanismi di trasmissione dell’energia del sistema, il quale si presenta come non lineare a causa della complessa integrazione di componenti elettrici, idraulici e meccanici.

L’effetto congiunto di diversi fattori come la zona morta della pompa volumetrica, la compressione dell’olio e le perdite interne sono alcune delle cause della forte non linearità del flusso di uscita del sistema. Ad esempio, quando si cerca di utilizzare un controllo a circuito chiuso ad alta precisione, si verifica un grande disallineamento tra il flusso previsto e il flusso di uscita effettivo, rendendolo di fatto impossibile senza tenere in conto delle caratteristiche non lineari del flusso del sistema.

Le ultime scoperte scientifiche

Vediamo quindi un paio di studi che hanno portato a conclusioni interessanti in merito.

Nell’articolo “A Study on the Electro-Hydraulic Coupling Characteristics of an Electro-Hydraulic Servo Pump Control System” a cura di Wenguang J., Pengshuo J. et all del Xinjiang Institute of Engineering si sono studiate le caratteristiche di una servopompa e come la rapidità, la stabilità e l’accuratezza del sistema fossero influenzate, arrivando ad alcune conclusioni importanti:

• Analizzando l’inerzia del sistema gli scienziati hanno concluso che l’inerzia rotatoria del servomotore può essere regolata in modo tale da essere vicina a quella della pompa, in modo da migliorarne le caratteristiche dinamiche, ridurre l’ampiezza armonica dei punti di risonanza e incrementare la stabilità del sistema stesso. 
• Attraverso l’analisi delle caratteristiche di rigidezza del sistema, si può concludere che quando il sistema di controllo della servopompa viene utilizzato a bassa frequenza la sua precisione del sistema è maggiore.
• Attraverso l’analisi dell’influenza dei parametri di controllo si può migliorare la velocità di regolazione del rotore, aumentando però anche l’ampiezza della frequenza di risonanza e quindi peggiorando di conseguenza la stabilità.

Nell’articolo “Research on the Nonlinear Characteristic of Flow in the Electro-Hydraulic Servo Pump Control System” Tiangui Z., Gexin C. et all. della Yanshan University per risolvere il problema della non linearità del sistema hanno proposto il concetto di zonizzazione del flusso di uscita, ovvero dividerlo in una zona morta, una zona di carico e una zona di saturazione. I risultati ottenuti da questo studio sono stati:

• L’evidenza che la fluttuazione della velocità e della coppia del servomotore in condizioni di velocità costante sono inversamente proporzionali.
• La prova che, in condizioni di carico costante, la fluttuazione della velocità di rotazione del servomotore è legata all’attrito di rotazione dello stesso.

Da ciò hanno capito che le caratteristiche non lineari del sottosistema si concentrano sulle caratteristiche non lineari della zona morta e della zona di carico, per cui è stato possibile dedurre: 

• Nella zona morta la perdita interna della pompa volumetrica è un fattore chiave che influisce sulle dimensioni della stessa mentre, quando il sistema funziona sotto un carico, la zona morta è principalmente influenzata dalla perdita del flusso compresso e dal flusso di pressione differenziale.
• La natura non lineare del flusso nell’area di carico è influenzata dall’effetto dell’accoppiamento del tasso di riserva di coppia del servomotore, dall’attrito di rotazione e dalla perdita nella pompa.

Concludiamo con un ultimo esempio di miglioramento dell’accuratezza del controllo di pressione. Nell’articolo “Exploring the Essence of Servo Pump Control” di Guishan Y. Zhenlin J. et all, i ricercatori hanno utilizzato una combinato insieme un modello di previsione del meccanismo ed un modello di mappatura sperimentale per descrivere e compensare con precisione i fenomeni non lineari del flusso così da ottenere un tracciamento preciso e veloce dei risultati. Gli stessi risultati confrontati con un tradizionale controllo PID hanno dimostrato che il modello è significativamente più preciso.