Laboratorio di principi di Ingegneria Elettrica Esperienza con l'utilizzo di un motore asincrono e un motore in continua Schema del circuito di prova Prova con motore asincrono: Andamento delle tensioni e delle correnti Prova con motore in corrente continua: Andamento delle tensioni e delle correnti Created by Losco Roberto; e-mail roberto@gest.unipd.it Forzan Marco; ; e-mail forzan@gest.unipd.it

Schema del circuito Convertitori AC-DC, DC-AC e DC-DC Lo schema rappresenta il circuito del convertitore. Esso è una semplificazione della reale configurazione del convertitore, la quale permette di capire come sia collegato ogni singolo componente. Convertitori AC-DC, DC-AC e DC-DC

Schema di collegamento degli strumenti

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Circuito semplificato del raddrizzatore controllato (AC-DC) L’alimentatore rappresentato in figura è un raddrizzatore a ponte trifase semicontrollato. E’ costituito da tre diodi in basso e da tre tiristori in alto. I tiristori quando sono polarizzati inversamente si comportano come dei diodi, mentre possono essere assimilati a tre interruttori controllati solo in chiusura quando sono polarizzati direttamente. Quando il componente è polarizzato direttamente posso controllare l’istante di chiusura, ma non quello di apertura. I tiristori ( o SCR, silicon controlled rectifier) polarizzati direttamente si spengono se la corrente nel circuito scende sotto una soglia determinata dal costruttore. Il tiristore una volta che si è spento può essere riacceso da un comando quando è polarizzato direttamente.

Il comando per accendere un tiristore consiste nel dare una corrente positiva al morsetto di GATE. Poiché i tiristori possono essere accesi con un ritardo rispetto all’istante di accensione naturale ad esempio di un diodo, questo consente di ottenere una tensione raddrizzata minore del valore massimo che si otterrebbe se al posto dei tiristori ci fossero dei diodi. Si ottiene una regolazione della tensione in uscita all’alimentatore. Nel disegno a lato è riportata la caratteristica statica del tiristore. Si nota la minima tensione VH per cui posso accendere il tiristore. Ad essa corrisponde la minima corrente IH detta di holding per cui il componente è in stato di conduzione. La tensione VBO corrisponde alla tensione per cui il componente entra in conduzione anche se non è stato acceso. Ad essa corrisponde la corrente IBO. Per tensioni inverse il componente si comporta come un diodo. Esiste una massima tensione di tenuta inversa. Fino a tale tensione la corrente di fuga è piccola

Circuito semplificato dell'inverter (DC-AC) L’inverter rappresentato in figura è costituito da: -due sbarre in continua (disegnate in colore blu) connesse in parallelo a una serie di due condensatori. I condensatori servono da accumulo di energia e consentono di considerare costante la tensione ai capi delle sbarre in continua durante il funzionamento dell’inverter. -tre rami con due IGBT (insulated gate bipolar transistor) per ramo sulla sinistra del disegno. L’inverter può essere fatto funzionare in vari modi a seconda del tipo di controllo che si attua sul medesimo. Ad esempio tramite un opportuno sistema di comando di accensione e spegnimento degli IGBT con frequenze di commutazione elevate consente di ottenere a bassa frequenza (ovvero dopo aver filtrato le armoniche superiori) tre tensioni sinusoidali sfasate di 120° R, S, T ad ampiezza variabile. Queste tre tensioni possono variare da una ampiezza nulla fino ad un massimo pari alla tensione sulla serie dei due condensatori. L’inverter può però anche essere controllato in altri modi ad esempio in corrente: in questo caso si vogliono ottenere delle correnti di ampiezza e frequenza variabili. L’inverter in uscita genera sempre delle tensioni anche se in tal caso queste tensioni servono a ottenere dei valori di corrente prefissati.

Circuito semplificato del chopper (DC-DC) Il chopper è un convertitore continua continua. Considerando un periodo di commutazione T, dell’ordine dei microsecondi, accendendo un interruttore per ramo per un intervallo di tempo pari a una frazione del periodo T, in uscita si ha una tensione positiva pari al valore massimo positivo o negativo per la frazione di periodo in cui gli interruttori sono accesi. Per la restante frazione del periodo T tutti gli interruttori sono aperti, in modo da ottenere una tensione di uscita nulla. Dunque su un periodo riusciamo ad avere una tensione media minore della tensione massima positiva o negativa. Se il periodo è piccolo rispetto alle costanti di tempo dei circuiti, la corrente può essere considerata approssimativamente costante durante un singolo periodo di commutazione. Se l’induttanza del circuito a valle del chopper è elevata, la tensione di uscita media è assimilabile ad una tensione continua di uscita di valore inferiore a quello in ingresso.

Circuito raddrizzatore di eccitazione (AC-DC, non controllato) Lo schema a lato rappresenta un raddrizzatore monofase, denominato ponte di Graetz. Ai capi dell’induttanza che rappresenta il circuito di eccitazione in continua è applicata una doppia semionda di tensione. La corrente risulta abbastanza costante, infatti l’induttanza fa sì che la corrente abbia valore medio costante.

MOTORE ASINCRONO

Il motore asincrono è alimentato tramite un inverter. Gli inverter possono avere vari sistemi di controllo. Lo scopo comune è comunque quello di ottenere delle tensioni di alimentazione che impongano una velocità ed una coppia prefissata al motore. Ricordiamo che la velocità del campo magnetico rotante dipende dalla frequenza di alimentazione delle tensioni sul motore secondo la nota formula: dove n0 è detta velocità di sincronismo, f è la frequenza di alimentazione delle tensioni e p il numero di coppie polari del motore. Variando dunque la frequenza di alimentazione delle tensioni varia anche la velocità del campo magnetico rotante e di conseguenza varia la velocità del rotore. Nella figura a lato sono rappresentate le caratteristiche elettromeccaniche di un motore asincrono al variare della frequenza delle tensioni di alimentazione. Bisogna considerare anche un altro aspetto della questione: la tensione applicata al motore è pari alla derivata del flusso, la derivata del flusso è proporzionale al flusso stesso e al numero di giri del rotore. Se le tensioni che alimentano il motore rimanessero in ampiezza costanti e diminuisse solo la frequenza, allora il motore risulterebbe avere un flusso maggiore di quello per cui è stato progettato. Si avrebbe di conseguenza una elevata saturazione del lamierino del motore. Questo comporterebbe l’assorbimento di una corrente reattiva e attiva molto elevata. Per ovviare a questo inconveniente al diminuire della frequenza di alimentazione si diminuisce anche l’ampiezza delle tensioni di alimentazione. In questo modo la caratteristica elettromeccanica del motore asincrono si sposta verso sinistra senza cambiare la forma. Visualizza motore asincrono

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

MOTORE CC

Equazioni del motore in corrente continua a regime. Consideriamo un motore in corrente continua ad eccitazione indipendente. Se supponiamo di mantenere costante il flusso di eccitazione, possiamo ricavare dalle equazioni la caratteristica elettromeccanica del motore. Equazioni del motore in corrente continua a regime. Dato lo schema in figura si ricava: E=V+RI Dove V è la tensione di alimentazione, R è la resistenza del circuito di alimentazione e del circuito di armatura ( è così chiamato l’avvolgimento del motore in corrente continua che si trova sul rotore), e E è la forza controelettromotrice del motore. L’equazione della E è: Dove ke è una costante,  è il flusso di eccitazione e n è la velocità angolare del rotore. L’equazione che lega la corrente con la coppia meccanica sviluppata è: Dove kc è una costante, la corrente I è quella utilizzata nella equazione del generatore. Con queste equazioni è possibile ricavare la caratteristica elettromeccanica: la coppia sviluppata dal generatore in funzione della velocità angolare per motori a tensione impressa. E’ l’equazione di una retta con coefficiente angolare positivo. Visualizza motore continua

T Generatore Motore I=0 n =V/k F =V/k e F Dalla caratteristica meccanica si ricava il seguente punto fondamentali: -la velocità a vuoto quando la coppia sviluppata dal motore è nulla; Dalla figura è facile rendersi conto che variando l’ampiezza della tensione, sposto la caratteristica meccanica parallelamente a se stessa. Nei motori si inverte il senso della corrente, facilmente si capisce che la caratteristica meccanica cambia solo il segno del coefficiente angolare e anche il segno del termine noto cosicchè la caratteristica è semplicemente simmetrica rispetto all’asse verticale passante per il valore della velocità a vuoto. I motori sono progettati per una tensione oltre la quale gli isolamenti potrebbero cedere. Dunque determinata la retta per la tensione massima, regolando la tensione a valori minori, questa si sposta parallelamente a se stessa verso sinistra.

In genere la coppia di spunto è molto elevata e ad essa è associata una corrente superiore alla portata dei circuiti. Per avviare quindi un motore a corrente continua bisogna quindi provvedere ad una opportuna regolazione della corrente tramite regolazione della tensione erogata. Esiste quindi un sistema di controllo che regola la tensione in modo che alla partenza, la corrente non sia troppo elevata. In genere tale sistema di controllo funziona anche quando si applica al motore un gradino di tensione, sempre per gli stessi motivi. La caratteristica della potenza in funzione della velocità è: Questa è una parabola, dove i due punti in cui si annulla corrispondono, uno al funzionamento con coppia di spunto e rotore fermo, l’altro al funzionamento con coppia nulla e rotore a vuoto.

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

Canale 1: Corrente Canale 2: Tensione

Canale 3: Tensione Canale 4: Corrente

Sonda di Corrente Questo tipo di sonda permette una misura diretta della corrente in un circuito e può essere utilizzate per misure di corrente alternata e continua. Possiede una pinza che avvolge il cavo, attraverso il quale si vuole misurare la corrente e utilizza la tecnologia ad effetto Hall che gli permette una buona risposta in frequenza. Con tale pinza è possibile effettuare misure accurate di corrente in AC e DC da 5mA a 30A picco con una precisione di ±1%. Campo di corrente: 20A DC / 30A AC Precisione: ± 1% ± 2mA Isolamento: 3.7kV, 50Hz, 1min. Sensibilità: 100mV/A Campo di frequenza: DC- 100kHz Risoluzione: ±1mA Impedenza: >100kW

Sonda di Corrente Questo tipo di sonda permette una misura diretta della corrente in un circuito e può essere utilizzate per misure di corrente alternata e continua. Possiede una pinza che avvolge il cavo, attraverso il quale si vuole misurare la corrente e utilizza la tecnologia ad effetto Hall che gli permette una buona risposta in frequenza. System Bandwidth: DC to 50 MHz Corrente Max. DC : ±30 A Max Peak Pulse Current: ±50 A with pulse width < 10 s. Sensibilità ( 250 C): ±1% of reading to 15 A. ±2% of reading to 30 A. Rise Time: < 7 ns di/dt Tracking: > 1.6 A/ns External Field Rejection: 75 dB at DC. Insertion Impedance: < 0.06 ohms at 5 MHz

Sonda Differenziale Queste sonde permettono di effettuare misure di potenziali tra due punti, nessuno dei quali è a massa. E’ utilizzata per misurazioni su motori elettrici e circuiti di alimentazione, senza alcun pericolo per l'utilizzatore, questo perchè la maggior parte degli oscilloscopi misurano "Single End” (potenziale rispetto alla massa dell’oscilloscopio) e non sono adatti per misure su potenziali diversi. Spesso viene tolto il collegamento di terra, operazione molto pericolosa per chi opera con lo strumento che inoltre esclude da ogni responsabilità il costruttore. Tensione d'ingresso: 1400 VDC+ACpicco Precisione: ± 2% Isolamento: 4000V. Attenuazione: 200:1, 20:1. Campo di frequenza: DC- 25MHz Tempo di salita: 14nS. Impedenza: 3MW.