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FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO. PROGRAMMA PREVENTIVO A.A. 2012/13 Il corso tratta i diversi aspetti caratteristici delle macchine e degli azionamenti.

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1 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO

2 PROGRAMMA PREVENTIVO A.A. 2012/13 Il corso tratta i diversi aspetti caratteristici delle macchine e degli azionamenti elettrici, utilizzati essenzialmente in applicazioni di automazione industriale e di trazione. Partendo dalle cognizioni di base sui motori elettrici e sulle apparecchiature di elettronica di potenza, utilizzate per lalimentazione ed il controllo di tali motori, si giunge alla caratterizzazione dellazionamento elettrico come sistema e allesame di alcuni esempi significativi di schemi di azionamenti utilizzati per il controllo di velocità e/o di posizione. L'azionamento elettrico e i suoi componenti Le macchine elettriche e gli azionamenti a velocità variabile per applicazioni di automazione industriale e di trazione elettrica. Schema a blocchi, problematiche di regolazione della velocità e specifiche di un azionamento. Caratterizzazione del carico meccanico. I convertitori statici di potenza per l'alimentazione e il controllo di motori elettrici. Cenni sui componenti elettronici di potenza. Principali caratteristiche di un sistema di controllo. Sistemi ad anello aperto e ad anello chiuso. Uso dei microprocessori e controllo digitale. Sensori e trasduttori. Azionamenti con motori in corrente continua Motori in c.c.: principio di funzionamento, caratteristiche statiche, frenatura elettrica, funzionamento nei quattro quadranti. Convertitori c.a./c.c.: schemi e analisi del funzionamento dei principali raddrizzatori controllati. Convertitori c.c./c.c.: principio di funzionamento. Motori in c.c. alimentati da convertitori. Schemi di azionamenti con motori in c.c. per funzionamento nei diversi quadranti. Azionamenti con motori asincroni Motori asincroni: principio di funzionamento, caratteristiche statiche, frenatura elettrica, funzionamento nei quattro quadranti. Regolazione della velocità mediante variazione della tensione o della frequenza di alimentazione. Convertitori c.c./c.a.: schemi e analisi del funzionamento dei principali invertitori (a tensione impressa ad onda quadra o di tipo PWM). Convertitori c.a./c.a.: classificazione e principio di funzionamento. Metodi di controllo scalare e schemi di azionamenti con motori asincroni a controllo scalare. Cenni sul controllo vettoriale. FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO

3 AZIONAMENTO ELETTRICO MOTORE ELETTRICO Converte energia elettrica in energia meccanica Caratteristiche meccaniche di un motore elettrico e di un carico meccanico, in assenza di controllo FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO T L : coppia di carico T m : coppia motrice

4 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO AZIONAMENTO ELETTRICO AZIONAMENTI ELETTRICO sistema composto da: - attuatori elettrici i motori elettrici - convertitore di potenza - sensori e trasduttori - carico meccanico Caratteristiche meccaniche di un motore elettrico e di un carico meccanico, con regolazione discreta di velocità

5 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO AZIONAMENTO ELETTRICO Settori applicativi : elettrodomestici, trazione ferroviaria, impiantistica industriale e civile (pompe, ascensori,... ), robot industriali, macchine a controllo numerico, strumentazione elettronica, periferiche di calcolatori (testine di stampanti, unità dischi, scanner,...), accessori automobilistici (vetri elettrici, tergicristalli, pompe della benzina) e molti altri. I motori funzionano prevalentemente a velocità e carico costanti o prefissati o al massimo selezionati tra un piccolo insieme di valori (si pensi, ad esempio, alle pompe, ai ventilatori, ecc... ). In altri casi il funzionamento è tipicamente intermittente, ad esempio: trapani, alza cristalli elettrici, ascensori. Talora il funzionamento è ciclico, ad esempio allinterno di una macchina automatica. Infine, ci sono situazioni in cui il moto è tipicamente vario, ad esempio trazione elettrica, robotica industriale. In alcune applicazioni è necessario regolare la velocità del motore (ad esempio mandrino di un trapano, pompa, ventilatore) ed altre in cui il motore va pilotato in posizione (ad esempio assi di un robot industriale o di una fresa a controllo numerico), più raramente si utilizza un controllo di coppia. Talvolta la regolazione è grossolana (ad esempio ventilatore acceso/spento a una o due velocità), altre volte è richiesta una regolazione molto precisa (ad esempio macchina a controllo numerico). Per far fronte a questa enorme varietà di esigenze sono state sviluppate differenti tipologie di motori e di relativi sistemi di regolazione. Lo sviluppo dellelettronica analogica e digitale ha permesso la realizzazione di azionamenti più sofisticati nonché lestensione del campo dimpiego dei motori esistenti.

6 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO AZIONAMENTO ELETTRICO

7 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CARATTERIZZAZIONE DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO SPECIFICA DEL SISTEMA Tipo e caratterizzazione del carico meccanico Valori caratteristici (o campi di variazione) della velocità e/o della coppia Quadranti di funzionamento Caratteristiche di avviamento (a pieno carico, a carico ridotto, a vuoto) Possibilità di realizzare la frenatura elettrica, e con quali caratteristiche Condizioni ambientali PRESTAZIONI DESIDERATE DALLAZIONAMENTO Precisione richiesta nel funzionamento a regime Comportamento dinamico Prestazioni in regime transitorio, in corrispondenza di andamenti predefiniti della velocità o della coppia

8 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CARICO MECCANICO MOTO MMM MOTORE ELETTRICO CARICO MECCANICO TmTm TLTL ωnωn T m : coppia meccanica T L : coppia resistente del carico ω n : velocità di rotazione Coppie resistenti del carico : T F : coppia di attrito T W : coppia di ventilazione T S : coppia di inerzia T U : coppia utile Hp: accoppiamento rigido e diretto

9 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO ESEMPI TIPICI DI CARICHI MECCANICI

10 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO ESEMPI TIPICI DI CARICHI MECCANICI

11 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO ESEMPI TIPICI DI CARICHI MECCANICI

12 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO EQUILIBRIO MECCANICO T EM : coppia elettromagnetica del motore J: momento dinerzia complessivo B: coefficiente di attrito e ventilazione complessivo

13 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO ACCOPPIAMENTO NON DIRETTO ω m : velocità di rotazione del motore ω L : velocità di rotazione del carico v: velocità periferica D1D1 D2D2

14 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO QUADRANTI DI FUNZIONAMENTO CARICO PASSIVO: non ha energia propria ad eccezione dellenergia cinetica della rotazione. E possibile convertire lenergia meccanica in energia elettrica a scapito della velocità di rotazione CARICO ATTIVO: il carico può funzionare in tutti e 4 i quadranti di funzionamento MOTORE IN MARCIA AVANTI FRENATURA IN MARCIA AVANTI FRENATURA IN MARCIA INDIETRO MOTORE IN MARCIA INDIETRO TmTm ωnωn III IV III

15 IV quadrante Se P1>P2 dovremo applicare una coppia frenante per far salire P1 TmTm ωnωn FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CARICO ATTIVO I quadrante Se P1

16 II quadrante Se P2>P1 dovremo applicare una coppia frenante per far salire P1 TmTm ωnωn FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CARICO ATTIVO III quadrante Se P1>P2 il carico tende a scendere, bisogna applicare una coppia nello stesso verso della velocità affinché P1 possa salire TmTm ωnωn

17 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MOTORE ELETTRICO CORRENTE CONTINUA CORRENTE ALTERNATA ASINCRONI (motori a induzione): - robusti - affidabili - non sono immediatamente controllabili SINCRONI (motori brushless o a magneti permanenti): - coppie elevate in spazi ristretti - più costosi - prestazioni migliori MONOFASE TRIFASE

18 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CAMPO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE ELETTRICO ω B : velocità base o nominale ω MAX : velocità massima La regolazione della velocità si divide in due regioni: I)0 ω m ω B Si sviluppa la coppia massima T MAX che il motore è in grado di fornire in condizioni di corretto funzionamento (senza riscaldamento dei componenti) II)ω B ω m ω MAX la coppia è inversamente proporzionale alla velocità poiché in questo intervallo si ha un funzionamento a potenza costante.

19 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CAMPO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE ELETTRICO - In un verso o nellaltro il valore di ω B non cambia -La regione di funzionamento dipende dalle caratteristiche del motore, ma deve essere compatibile con il carico meccanico - Tale caratteristica vale in regime continuativo, ma può essere modificata in regime transitorio.

20 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA

21 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONVERTITORE DI POTENZA Il convertitore di potenza in ingresso al motore ha una doppia funzione: - adattare lalimentazione primaria prevista a quella richiesta dal motore - manipolare le grandezze in ingresso al motore per effettuare la regolazione -- manipolare le grandezze in uscita, perciò sono detti controllati

22 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO SEMICONDUTTORI DI POTENZA COMPONENTI NON CONTROLLATI COMPONENTI SEMI-CONTROLLATI COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI I componenti non controllati sono: - Diodi - Diodi a ripristino veloce - Diodi Schottky I componenti semi-controllati (con possibilità di controllo solo dellaccensione) sono: - Tiristori - Triac I componenti totalmente controllati sono: - Transistor di potenza - GTO BJT MOSFET IGBT

23 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO SEMICONDUTTORI DI POTENZA CARATTERISTICHE Capacità di controllo sia dellinnesco che dello spegnimento Bassa caduta di tensione in senso diretto (per avere piccole perdite di conduzione) Bassi tempi di commutazione (per avere piccole perdite di commutazione) Elevata densità di corrente (per minimizzare dimensione e costo del componente) Bassa potenza richiesta dal circuito di gate (Driver di pilotaggio) Bassa resistenza termica

24 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO DIODO Il diodo ha due terminali: anodo e catodo. Se Vd>Vs (tensione di soglia) il diodo è polarizzato direttamente e Id>>0 Se Vd<0 il diodo è polarizzato inversamente e Id0 Se Vd<0 e in modulo abbastanza elevato, il diodo opera in regione inversa di breakdown (rottura): se la temperatura a cui opera il dispositivo non è troppo elevata, questa condizione non è distruttiva per il dispositivo. Quando polarizzati inversamente, invece di impedire completamente il passaggio di corrente vengono attraversati dalla corrente di saturazione inversa, il cui valore è legato all'area del dispositivo ed alla concentrazioni del drogante. Con l'aumentare del modulo della tensione inversa fino ad un certo valore (detto tensione di Zener ), che può andare da alcuni Volt ad alcune decine di Volt, la corrente aumenta in modulo molto rapidamente: tale regime di funzionamento è detto tensione di rottura o di breakdown.

25 I diodi di potenza sono di tre tipi: 1) per applicazioni generiche 2) ad alta velocità 3) Schottky Diodi standard, general-purpose: - tempi di reverse recovery piuttosto alti, nellordine dei 25us - vengono tipicamente utilizzati in circuiti funzionanti a bassa frequenza (raddrizzatori e convertitori fino a 1kHz). - Le correnti dirette a cui possono lavorare vanno da 1A a migliaia di A, mentre le tensioni di rottura vanno da 50V a 5kV. Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes): - t rr dellordine dei μs; - applicazioni per convertitori di potenze considerevoli con frequenze di commutazione elevate: convertitori dc-dc e dc-ac - Correnti massime (fino a centinaia di A) e tensioni di rottura (fino a 3kV) FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO DIODO

26 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO DIODO Diodi Schottky: -bassa caduta di tensione diretta (0.3 V) ma anche tensione limite inversa limitata (50÷100 V); - I diodi Schottky sono dei diodi molto veloci (<50ns). -Sono i candidati ideali per applicazioni ad alte correnti e basse tensioni. Diodi in carburo di silicio (SiC): -Possono anche operare a temperature notevolmente superiori a quelle possibili con i diodi in silicio (tipicamente inferiori a 150°C). - I diodi in SiC attualmente in commercio hanno correnti massime nellordine delle decine di A e tensioni di breakdown di 1-2kV. I tempi di reverse-recovery sono praticamente nulli.

27 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO COMPONENTI SEMI-CONTROLLATI (CON POSSIBILITÀ DI CONTROLLO SOLO DELLACCENSIONE) Raddrizzatore Controllato al Silicio (SCR= Silicon Controlled Rectifier) è il componente principale dei convertitori di più elevata potenza ed in generale della maggioranza dei convertitori alimentati in corrente alternata. Un tiristore ha tre terminali: anodo, catodo e gate. E possibile omandare la chiusura o linnesco, mediante un opportuno segnale di pilotaggio applicato allelettrodo di controllo. Una volta innescato, un tiristore si comporta come un diodo non controllato e non è più influenzato dalla tensione applicata allelettrodo di controllo. Lapertura del tiristore, o spegnimento, è determinata solo dalle caratteristiche del circuito di potenza in cui è inserito. Aumentando il valore della corrente di controllo Ig linnesco del tiristore avviene per valori della tensione anodica minori di Vd: per un opportuno valore di Ig che dipende dal tipo di tiristore utilizzato, linnesco avviene appena la tensione anodica diventa positiva, e la caratteristica esterna del tiristore diviene simile a quella di un diodo. TIRISTORE

28 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO TRIAC Dispositivo a tre terminali, di cui due sono detti anodi e sono la via di passaggio per la corrente controllata, mentre il terzo, definito gate, è l'ingresso di controllo. Idealmente il Triac equivale a due SCR collegati in antiparallelo con il gate in comune. E possibile gestire elevate potenze con piccoli segnali di comando e con limitata dissipazione di calore.

29 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI TRANSISTOR DI POTENZA BJT (Bipolar Junction Transistor) I transistor bipolari nelle applicazioni di potenza sono del tipo npn. La corrente può fluire in una sola direzione Nel funzionamento a regime si può definire un area di sicurezza, limitata da quattro curve. Larea di sicurezza è una caratteristica importante nella realizzazione di un sistema di potenza e può riferirsi allaccensione o allo spegnimento. Sono disponibili transistor di potenza BJT per tensioni e correnti fino ai 1200V e 800A con una capacità di commutazione che va oltre i 10kHz.

30 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI TRANSISTOR DI POTENZA MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Sono transistor di potenza ad effetto di campo, controllati in tensione; la capacità di condurre è affidata solo ai portatori di carica maggioritari. Grazie a questa caratteristica sono caratterizzati da tempi di accensione e spegnimento molto più piccoli di quelli dei BJT e possono lavorare a frequenze di commutazioni molto più elevate con perdite più contenute. Tuttavia non possono gestire alte potenze. Il loro campo di applicazione si restringe pertanto a tensioni e correnti di 500V e 50A. Le frequenze di commutazione superano, invece, i 20kHz.

31 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI TRANSISTOR DI POTENZA IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Larchitettura è quella di un MOSFET di cui eredita le caratteristiche di alta impedenza unite, però, a quelle di conduzione tipiche di un BJT. Le caratteristiche costruttive fanno sì che esso presenti la possibilità di condurre una densità di corrente superiore a quella di un BJT o di un MOSFET. Altri vantaggi sono dati dalla capacità di adattare basse perdite di conduzione e basse perdite di commutazione nei circuiti di potenza; Gli IGBT riescono, quindi, a funzionare con tensioni e correnti fino a 1200V e 400A con frequenze di commutazione superiori ai 20kHz. dispositivopotenza pilotabilevelocità di commutazione BJT/MD MOSFET IGBT Media Bassa Media Alta Media

32 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO COMPONENTI TOTALMENTE CONTROLLATI TRANSISTOR DI POTENZA IPM dispositivi di potenza intelligenti IPM, ottenuti dallintegrazione di un IGBT e di un diodo a recupero veloce riduzione delle dimensioni, per un basso rumore operativo elevati livelli di funzionalità migliore efficienza i pilotaggi e le protezioni sono messi in un alloggio compatto per elevate conversioni di potenza si presta alla realizzazione di sistemi di potenza integrati CRITERI DI SCELTA Sono disponibili i singoli dispositivi con i diodi di ricircolo in antiparallelo, due dispositivi in serie così da formare una gamba di un invertitore oppure i ponti monofase o trifase completi. La scelta del dispositivo di commutazione si basa sulla tensione e corrente massima che dovranno sopportare nella applicazione in cui verranno impiegati e quindi sulla conoscenza della loro alimentazione e del loro carico. Un altro parametro essenziale è la frequenza di commutazione. All'aumentare di questa aumentano le perdite e quindi è necessaria una aletta di raffreddamento più grande o ricorrere al raffreddamento forzato mediante ventola. La dissipazione quindi crea problemi di ingombro e abbassa il rendimento. Di conseguenza bisogna mediare tra le esigenze di una buona forma d'onda in uscita (alte frequenze di commutazione) e un rendimento del convertitore che ne renda conveniente l'uso (moderate frequenze di commutazione).

33 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO Il sistema di controllo è il cervello di un azionamento elettrico. Permette di determinare, istante per istante, il valore delle grandezze di comando del convertitore statico di potenza che a sua volta alimenta il motore dellazionamento. Il dispositivo di controllo può essere realizzato con circuiti di tipo analogico o con microprocessori. Limpiego del microprocessore diviene realmente vantaggioso solo quando le sue capacità di elaborazione on-line rendono possibile limpiego di strategie di controllo che elevano le prestazioni dellazionamento. Il dispositivo di controllo può essere suddiviso in 3 blocchi funzionali: 1- il generatore del riferimento 2- la legge di controllo 3- il dispositivo di misura Il generatore del riferimento ha il compito di fissare in ogni istante il valore della grandezza di comando dellazionamento. La legge di controllo ha il compito di calcolare, in base alla strategia di controllo prefissata, il valore delle grandezze di comando del convertitore in funzione sia del valore delle grandezze di comando dellazionamento sia dei segnali che provengono dai dispositivi di misura (feedback). Il dispositivo di misura comprende sia i sensori e trasduttori delle grandezze elettriche e meccaniche da misurare, sia le relative elaborazioni.

34 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO La strategia di controllo ha come obiettivo quello di consentire che le prestazioni desiderate dallazionamento possano essere soddisfatte. Per definire una strategia di controllo è necessario conoscere: - il tipo di carico al fine di determinare i campi di variazione della velocità e della coppia; - il tipo di comportamento dinamico previsto; - la precisione richiesta durante il funzionamento a regime; - la prestazione richiesta in regime transitorio in corrispondenza di andamenti definiti della velocità. Nella scelta della strategia di controllo una prima distinzione va fatta tra: - Controllo ad anello aperto - Controllo ad anello chiuso

35 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLATORI I regolatori sono gli elementi di un anello di controllo mediante i quali viene realizzata la legge di controllo richiesta. Costituiscono la parte intelligente di un sistema controllato. Hanno il ruolo di assicurare al sistema: - il comportamento desiderato nelle diverse condizioni di carico - la precisione della risposta del sistema - la stabilità del sistema. I regolatori sono caratterizzati: - dalla loro risposta transitoria - dalla loro equazione nel dominio del tempo - dalla loro risposta in frequenza Risposta transitoria: è la forma donda del segnale di uscita da un regolatore quando in ingresso si invia un segnale a gradino unitario. Equazione nel dominio del tempo: è lequazione che descrive la relazione tra variabili in ingresso e variabili in uscita al regolatore, in funzione del tempo. Risposta in frequenza (per un sistema lineare): è uguale al rapporto fra la soluzione parziale non omogenea della variabile in uscita rispetto alla variabile in ingresso al regolatore, quando lingresso è una sinusoide pura. Per ottenere lequazione di risposta in frequenza che descrive la risposta transitoria di un sistema è sufficiente applicare la trasformata di Laplace allequazione differenziale del sistema. Funzione di trasferimento: è il rapporto tra il valore della variabile in uscita e il valore della variabile in ingresso, espressi in termini della loro trasformata di Laplace. I regolatori lineari elementari sono: - regolatori ad azione proporzionale (regolatori di tipo P) - regolatori ad azione integrale (regolatori di tipo I) - regolatori ad azione differenziale (regolatori di tipo D) I precedenti modi possono essere combinati insieme per realizzare i regolatori comunemente utilizzati nei sistemi di controllo (regolatori di tipo PI, regolatori di tipo PD, regolatori di tipo PID)

36 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO SENSORI E TRASDUTTORI Convertono la variabile in ingresso da rilevare in un segnale adatto per la misura Gli elementi principali da prendere in esame per la scelta di un sensore sono: - la grandezza da misurare - il campo di misura - la risoluzione (il minimo valore incrementale in ingresso che può essere discriminato) - la precisione - la sensibilità ( il rapporto tra la variazione in uscita e la variazione in ingresso che lha determinata) - tempo di risposta - temperatura di lavoro - risposta in frequenza - durata di vita Sensori e trasduttori presenti in un azionamento elettrico sono: Sensori di tensione e di corrente (Effetto Hall) Sensori di temperatura Sensori di posizione Sensori di velocità (Dinamo tachimetrica, Encoder) Sensori di flusso

37 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO SENSORI E TRASDUTTORI ENCODER E costituito da un disco forato solidale al corpo del quale si vuole misurare la posizione angolare. Vi è una sequenza di fori ed un sensore luminoso per ogni canale. Ogni sequenza di fori è opportunamente disposta su cerchi concentrici; i fori possono essere sostituiti da alternanza di zone opache e trasparenti. A seconda della posizione angolare del disco forato uno o più sensori vengono illuminati. L'uscita dell'encoder è digitale su più canali, uno per ciascuno dei sensori, oppure seriale (normalmente per encoder assoluti). La risoluzione di questo strumento aumenta all'aumentare del numero di fori presenti sul disco.

38 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI UN AZIONAMENTO ELETTRICO

39 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MACCHINA A CORRENTE CONTINUA

40 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI VELOCITA DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA

41 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA

42 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA Closed -loop

43 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA Controllo di corrente in anello chiuso (flusso indebolito)

44 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA

45 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CONTROLLO DI CORRENTE DI UNA MACCHINA A CORRENTE CONTINUA

46 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MOTORI IN CORRENTE ALTERNATA - MOTORI SINCRONI - MOTORI ASINCRONI O A INDUZIONE MOTORI CON ROTORE AVVOLTO MOTORI CON ROTORE A GABBIA DI SCOIATTOLO (IN CORTOCIRCUITO) Motore Asincrono Trifase con rotore avvolto; a sinistra, i 3 anelli rotorici Motore Asincrono Trifase con rotore a gabbia di scoiattolo

47 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MOTORI ASINCRONI A ROTORE AVVOLTO

48 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MOTORI ASINCRONI A ROTORE AVVOLTO

49 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MOTORI ASINCRONI A GABBIA DI SCOIATTOLO

50 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO CAMPO MAGNETICO ROTANTE - Quando ai tre avvolgimenti dello statore viene applicata una tensione alternata, infatti, nello spazio allinterno si crea un Campo Magnetico Rotante. - In poche parole è come se il campo magnetico alternato prodotto dallo statore generasse un magnete virtuale in rotazione

51 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM I convertitori CC/CA a tensione impressa (VSI) presentano due grossi inconvenienti : 1- non consentono di regolare il valore efficace della tensione in uscita, ma solo di variarne la frequenza 2- le grandezze in uscita presentano uno spettro armonico spostato verso le basse frequenze Per poter variare la velocità del motore in corrente alternata collegato a valle dellinverter, è necessario poter regolare sia la frequenza che la tensione ; inoltre la presenza di componenti armoniche di corrente di bassa frequenza produce un aumento delle perdite ed una riduzione della coppia motrice offerta dal motore, rispetto al caso di forme donda puramente sinusoidali. Questi inconvenienti vengono superati con dei convertitori CC/CA che prendono il nome di inverter PWM ( Pulse Width Modulation )

52 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR La durata del segnale di pilotaggio a ciascuna coppia di transistor è stabilita dal confronto, effettuato in un comparatore esterno allo schema di potenza dellinverter, tra un segnale portante triangolare ed un segnale di riferimento a onda quadra

53 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE IN LARGHEZZA Q 1 e Q 2 ON a r ( t ) > a c ( t ) durante la semionda positiva di a r ( t ) Q 3 e Q 4 ON |a r ( t )| > |a c ( t )|, durante la semionda negativa di a r ( t ) Luscita è una tensione avente forma donda quasi quadra e, variando lampiezza del segnale di riferimento è possibile variare il valore di, durata angolare della conduzione di ciascuna coppia di transistor A r = 0 = 0 v 0 = 0 A r = A c = v 0 ha forma donda quadra 0 < A r < A c 0 < < v 0 ha forma donda quasi quadra

54 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE IN LARGHEZZA La tecnica di modulare in larghezza gli impulsi della tensione v 0 si riflette nella possibilità di variare lampiezza della componente fondamentale della tensione stessa,. Considerando sviluppo in serie di Fourier di v 0 ( onda quasi quadra ): essendo = ( - )/2 si ha : da cui si deduce che, variando, variano le ampiezze delle armoniche ed in particolare quella della fondamentale : Possiamo notare un contenuto armonico consistente, in quanto le armoniche di tensione più significative si trovano alle basse frequenze, dove le ampiezze sono maggiori ; alle basse frequenze inoltre, le impedenze non sono elevate per cui le corrispondenti armoniche di corrente hanno ampiezza significativa, con tutte le conseguenze a livello di coppia motrice e di perdite che esse comportano.

55 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELLIMPULSO Al variare dellampiezza A r del segnale di riferimento, varia la durata angolare della conduzione di ciascuna coppia di transistor Indice di modulazione N p = numero di impulsi di pilotaggio in un semiperiodo

56 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELLIMPULSO Il vantaggio di questa tecnica di pilotaggio rispetto alla precedente risiede nel fatto che, fermo restando la possibilità di variare lampiezza della armonica fondamentale regolando il parametro, le ampiezze delle armoniche di ordine superiore possono essere notevolmente attenuate aumentando il numero di impulsi N p in un semiperiodo. Cè una notevole attenuazione delle armoniche di bassa frequenza ( quelle più significative ) nel passaggio da un pilotaggio con N p = 3 ad uno con N p = 10 impulsi in un semiperiodo. Il segnale di tensione v 0 in uscita allinverter viene detto a tre livelli, in virtù del fatto che v 0 può assumere tre soli valori: V, 0, -V.

57 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE MULTIPLA DELLIMPULSO (segnale portante triangolare bipolare) a r ( t ) > a c ( t ) Q 1 e Q 2 pilotati a r ( t ) < a c ( t ) Q 3 e Q 4 pilotati

58 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM MONOFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE SINUSOIDALE (segnale portante triangolare a valore medio nullo con segnale di riferimento sinusoidale) a r ( t ) > a c ( t ) Q 1 e Q 2 pilotati a r ( t ) < a c ( t ) Q 3 e Q 4 pilotati

59 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM TRIFASE f p = frequenza della portante = 3K / f = R f Fase a : a ra ( t ) > a c ( t ) Q 1 pilotato a ra ( t ) < a c ( t ) Q 4 pilotato Fase b : a rb ( t ) > a c ( t ) Q 3 pilotato a rb ( t ) < a c ( t ) Q 6 pilotato Fase c : a rc ( t ) > a c ( t ) Q 5 pilotato a rc ( t ) < a c ( t ) Q 2 pilotato

60 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTITORI PWM TRIFASE STRATEGIA DI PILOTAGGIO DEI TRANSISTOR: MODULAZIONE SINUSOIDALE - ANALOGICA - DIGITALE campionamento naturale campionamento regolare

61 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO MODULAZIONE SINUSOIDALE DIGITALE a campionamento regolare Il segnale modulante sinusoidale viene campionato con una certa frequenza f c di campionamento, pertanto il calcolo degli angoli di taglio ne risulterebbe notevolmente snellito, in quanto si tratterebbe di risolvere sistemi di equazioni lineari. Maggiore è la frequenza di campionamento, minori sono gli scostamenti dalla sinusoide di partenza, più fedeli sono le grandezze in uscita a quelle che si avrebbero con segnali modulanti perfettamente sinusoidali. Un criterio per scegliere il tempo di campionamento T c può essere quello di acquisire i valori della sinusoide in corrispondenza dei vertici del segnale portante

62 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO ANALISI ARMONICA La frequenza della k-esima armonica f k della tensione v 0 o della v AO in uscita da un inverter PWM a modulazione sinusoidale è legata alla frequenza f p della portante e a quella della modulante f dalla seguente formula f k = m f p n f (*) dove m ed n sono numeri interi tali che la loro somma m + n sia un numero dispari. Tenendo conto che f k ed f p sono legate alla frequenza della modulante dalle relazioni : f k = k ff p = R f la ( * ) può scriversi come : k f = m R f n f k = m R n E immediato osservare che allaumentare di R = f p / f i pacchetti di armoniche si spostano verso frequenze più elevate, e poichè limpedenza offerta dal carico aumenta con la frequenza, è chiaro che le corrispondenti armoniche di corrente ne risulteranno notevolmente attenuate. E importante allora che R assuma il valore più alto possibile, compatibilmente con le frequenze di commutazione tollerabili dai transistor ; aumentare R = f p / f, significa infatti aumentare la frequenza f p del segnale portante a parità di frequenza f della fondamentale in uscita, e quindi aumentare la frequenza di commutazione dei transistor.

63 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO INVERTER PWM A CONTROLLO ADATTATIVO DI CORRENTE Quando viene chiuso lo switch S 1, la tensione del morsetto A rispetto al punto O diventa pari a V / 2 e la corrente i A conosce una fase di crescita esponenziale. La crescita della corrente viene però arrestata al limite superiore, attraverso un sistema di controllo che, rilevato il valore massimo di corrente, comanda lapertura di S 1 ; poichè linduttanza tende a mantenere la corrente preesistente allapertura di S 1, lunico componente che può consentire ciò è il diodo D 4, che quindi entra in conduzione. Segue allora una fase di decrescita di i A attraverso il diodo D 4, in quanto con lentrata in conduzione di D 4 si ha v AO = - V / 2. Anche la fase di decrescita viene tuttavia arrestata al limite inferiore della banda, raggiunto il quale, il sistema di controllo comanda nuovamente la chiusura di S 1, causando una nuova fase di crescita della corrente i A, in quanto con lentrata in conduzione di S 1 è nuovamente v AO = V / 2. Il risultato è che la tensione v AO è un segnale PWM a due livelli, in cui la larghezza degli impulsi è imposta dal controllo sulla corrente.

64 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLATORI DI TENSIONE A PARZIALIZZAZIONE REGOLATORE DI TENSIONE A PARZIALIZZAZIONE TRIFASE Mediante un sistema di contattori è possibile effettuare linversione del senso di rotazione Mediante un controllo dellinnesco di T è possibile effettuare linversione del senso di rotazione

65 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA

66 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA CON LA FREQUENZA

67 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA CON LA FREQUENZA

68 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA CON LA FREQUENZA

69 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA CON LA FREQUENZA

70 FACOLTA DI INGEGNERIA DI TARANTO REGOLAZIONE DELLA VELOCITA CON LA FREQUENZA


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