ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE ALDO MORO Liceo Scientifico Istituto Tecnico Via Gallo Pecca n. 4/6 - 10086 Rivarolo Canavese Tel 0124 454511 - Cod. Fiscale 85502120018 E-mail: [email protected] Url: www.istitutomoro.it ANNO SCOLASTICO 2014/2015 ESAME DI STATO 2015 Yuri Zambon Classe 5aAE Sezione Tecnica "Controllo di velocità di un motore in corrente continua" Descrizione del progetto. Il plastico che ho progettato e costruito, è un controllo di velocità di un motore in corrente continua ad anello aperto. Esso dimostra l'intero procedimento di avviamento del motore e del rilevamento della velocità di rotazione, all'interno del plastico troviamo l'alimentazione monofase della linea 220Vac che entra nell'interruttore magnetotermico, usato per la protezione dalle sovracorrenti, posto al primario del trasformatore. Il trasformatore lamellare trasforma la tensione entrante nel lato AT di 220Vac in una tensione di 6Vac uscente dal lato BT. Il secondario del trasformatore è protetto dal porta fusibili, contenente i fusibili per la protezione dal cortocircuito. La tensione di 6Vac va ad entrare nel raddrizzatore, realizzato da me su una basetta millefori, dove sono andato a saldare i singoli componenti, ovvero, il ponte di Graetz, il condensatore ed il circuito integrato dal quale ho prelevato il reostato usato per le regolazione manuale della velocità del motore. La tensione entrante nel raddrizzatore viene trasformata in tensione continua, erogando ai morsetti di uscita una tensione di 7,5Vdc ( la problematica del raddrizzatore è che la tensione in uscita è maggiore di quella in entrata e dunque bisogna inserire una resistenza al suo interno, ma dato che il mio motore è da 7,5Vdc, che è anche la tensione in uscita del raddrizzatore, ho potuto non inserire la resistenza). In fine ho inserito un interruttore per far avviare il motore a magneti permanenti in corrente continua, che anch'esso è protetto da fusibili, per la protezione dal cortocircuito. In fine andrò ad appoggiare coassialmente lo strumento digitale, la dinamo tachimetrica, dove potrò misurare la velocità di rotazione del motore. Schema a blocchi. Di seguito viene illustrato lo schema a blocchi con i singoli componti presenti nel plastico, con la spiegazione di ogni singolo blocco e del funzionamento in generale. 1. Primo blocco: all'interno del primo blocco è presente l'interruttore magnetotermico, il quale viene attraversato dalla tensione di linea di 220Vac. L'interruttore magnetotermico è un dispositivo automatico in grado di stabilire, portare e interrompere tutte le correnti, comprese quelle di corto circuito, per le quali è stato progettato. L'apertura automatica del circuito è determinata dall’azione di due dispositivi di sgancio, uno magnetico ed uno termico, che intevengono quando sono sottoposti ad una sovracorrente. Lo sganciatore termico è cotituito da due lamine metalliche unite fra loro che presentano un diverso valore del coefficiente di dilatazione. La bilamina è interessata, direttamente o indirettamente, dalla corrente che circola nel circuito da proteggere. In caso di sovraccarico si ha la lenta deformazione della lamina bimetallica che provaca l'apertura dei contatti dell'interruttore, ovvero, all'aumentare della corrente il calore sviluppato per effetto Joule provoca un aumento della temperatura della bilamina con conseguente dilatazione. Il diverso coefficiente di dilatazione determina un allungamento diverso delle due lamine e quindi la lenta deformazione delle stesse. La deformazione viene sfruttata per sganciare un arpionismo che rilascia una molla, precedentemente caricata con la chiusura manuale dell'interruttore, provocando l'apertura dei contatti dell'interruttore. Allorchè la corrente diventi troppo elevata, i tempi di intervento della lamina bimetallica non sono più accettabili e deve intervenire lo sgnaciatore magnetico. In caso di cortocircuito interviene in tempi brevissimi lo sganciatore magnetico, ovvero, il funzionamento dello sganciatore magnetico è basato sulla forza che viene esercitata su un nucleo mobile in ferro da un elettromagnete. Il nucleo mobile è sottoposto a due forze opposte, quella magnetica di attrazione verso il nucleo magnetico e quella di una molla caricata in fase di chiusura manuale dell'interruttore. In caso di cortocircuito lo sganciatore in tempi brevissimi vincendo l'azione della molla che provoca l'istantanea del circuito sede di guasto. 2. Secondo blocco: all'interno del secondo blocco è presente il trasformatore lamellare, dove al primario (lato AT) gli viene fornita una tensione di 220Vac, e al secondario eroga una tensione di 6Vac. Il trasformatore è una macchina elettrica statica in grado di abbassare o innalzare il valore di una tensione alternata. È usato per alimentare gli utilizzatori elettrici che funzionano a corrente alternata con tensione diversa dalla tensione di rete a 220 V. È costituito essenzialmente da un nucleo chiuso di materiale ferromagnetico e due avvolgimenti di filo di rame smaltato, avvolti intorno al nucleo. Le parti verticali del nucleo, dove si avvolgono le bobine, si chiamano colonne; le parti orizzontali che uniscono le colonne si chiamano gioghi; i punti di separazione tra gioghi e colonne si chiamano giunti. Uno degli avvolgimenti contiene numerose spire di piccola sezione e si chiama avvolgimento di alta tensione (AT); l’altro avvolgimento contiene poche spire di grande sezione e si chiama avvolgimento di bassa tensione (BT). Dei due avvolgimenti, quello che viene collegato alla linea di alimentazione si chiama avvolgimento primario e quello che viene collegato all’utilizzatore si chiama avvolgimento secondario. Alimentando l’avvolgimento di AT e collegando il carico all’avvolgimento di BT, il trasformatore assorbe dalla rete potenza elettrica con alta tensione e piccola corrente, e fornisce al carico potenza elettrica con bassa tensione ed elevata corrente. Viceversa, alimentando l’avvolgimento di bassa tensione e collegando il carico all’avvolgimento di AT, il trasformatore assorbe potenza elettrica con bassa tensione ed elevata corrente e fornisce al carico potenza elettrica con alta tensione e piccola corrente. Il trasformatore funziona solo in corrente alternata e la frequenza della tensione ottenuta sul secondario è sempre uguale alla frequenza della tensione applicata al primario. Il nucleo magnetico deve essere realizzato in modo da garantire una buona stabilità meccanica al trasformatore, rendere minime le perdite nel ferro dovute all’isteresi ed alle correnti parassite, presentare una elevata permeabilità magnetica µ e raggiungere una elevata induzione magnetica Bm. Per ridurre le correnti parassite, il nucleo non viene realizzato con un blocco massiccio di materiale ferromagnetico, ma con sottili lamierini (0.35-0.50 mm) rivestiti con uno strato di materiale isolante (carlite) e strettamente impacchettati tra loro. I lamierini vengono realizzati con una lega di ferro e silicio (Fe-Si), che presenta una elevata permeabilità magnetica, basse perdite per isteresi ed elevati valori di induzione magnetica massima Bm. La percentuale di silicio non deve superare il 5% altrimenti i lamierini diventano troppo fragili. Il nucleo ideale per un trasformatore dovrebbe essere di forma toroidale, realizzato con lamierini cilindrici interi incastrati fra loro. Nuclei di questo tipo si possono realizzare solo per trasformatori di piccola potenza, anche se risulta piuttosto complessa la costruzione del nucleo ed il montaggio degli avvolgimenti. Nella maggior parte dei casi si realizzano i lamierini frazionandoli in più parti e successivamente incastrandoli fra loro all’interno delle bobine. In tal modo con i lamierini a forma di C e I si realizzano i trasformatori a colonne mentre con i lamierini a forma di E e I si realizzano i trasformatori a mantello. Questi tipi di trasformatori sono più semplici da realizzare e sono più economici, ma in prossimità dei giunti hanno sottili strati di aria o di materiale isolante che presentano bassi valori di permeabilità magnetica ed oppongono un maggiore ostacolo al flusso magnetico. Per aumentare la compattezza del nucleo questi trasformatori vengono realizzati a giunti alternati. Gli avvolgimenti del circuito primario e del circuito secondario vengono realizzati con bobine di rame smaltato a sezione circolare. Per avere un buon funzionamento del trasformatore ed evitare che il flusso magnetico si disperda in aria, è necessario che i due avvolgimenti siano concatenati tra loro il più possibile. Per questo motivo, il trasformatore con due colonne, avente un avvolgimento su ogni colonna, anche se è importante dal punto di vista teorico poiché permette di capire meglio il funzionamento, in pratica non viene realizzato quasi mai, poiché i due avvolgimenti sono troppo distanti tra loro e si avrebbe una gran quantità di flusso disperso. Più spesso, invece, si realizza il trasformatore con il nucleo a mantello, avente entrambi gli avvolgimenti sulla colonna centrale. Tali avvolgimenti possono essere concentrici e sovrapposti (con l’avvolgimento di BT sovrapposto a quello di AT) oppure concentrici e separati (con l’avvolgimento di BT separato da quello di AT). 3. Terzo blocco: all'interno del terzo blocco sono presenti i fusibili di protezione, posti al secondario del trasformatore, attraversati da una tensione di 6Vac, usati per la protezione dal cortocircuito. Il fusibile è un semplice dispositivo elettrico in grado di proteggere da eventuali cortocircuiti, in grado di interrompere il flusso di corrente se questa supera una soglia prefissata. Esso è costituito da un contenitore generalmente cilindrico, in vetro oppure porcellana, al cui interno è presente un filo metallico che unisce due materiali di contatto. Il filo è dimensionato in modo tale da fondere (a causa del calore prodotto per effetto Joule) se la corrente che lo attraversa supera un valore limite. Nei modelli per correnti elevate il filo è immerso in sabbia, che ha lo scopo di spegnere rapidamente l'arco elettrico che può formarsi all'apertura del circuito, ed inoltre il contenitore è generalmente ceramico, per maggiore solidità. L'elemento fusibile è, in generale, racchiuso in un contenitore isolante di materiale ceramico, vetro o porcellana, completo di contatti per il collegamento con un supporto (base) e, tramite i morsetti di questo, con il circuito in cui deve essere inserito. L'insieme costituito dall'elemento fusibile, dal contenitore e dai contatti si definisce "cartuccia" e costituisce la parte che deve essere rimossa per la sostituzione dopo l'intervento protettivo. La cartuccia può essere riempita con particolari sostanze inerti, generalmente sabbia di quarzo, aventi la funzione di favorire lo spegnimento dell'arco prodotto dalla rottura dell'elemento fusibile a seguito di una sovracorrente. Le parti fisse per il collegamento al circuito esterno costituiscono la "base"; in talune soluzioni costruttive può anche essere presente un "portacartuccia", che costituisce una parte amovibile del fusibile prevista per tenere in posto la cartuccia. L'insieme della base e dell'eventuale portacartuccia viene definito "supporto". Se nei piccoli fusibili in vetro si può osservare in trasparenza l'integrità del filo, nelle cartucce opache è spesso presente un elemento mobile su un contatto, trattenuto dal filo interno. Se questo si interrompe, l'elemento indicatore si stacca o comunque segnala l'evento. Nei fusibili a intervento lento, è in uso una tecnica costituita da una molla a spirale in metallo duro, trattenuta in tensione da una saldatura a stagno; se il superamento del valore nominale persiste per un determinato tempo, la temperatura della zona saldata a stagno sale a tal punto da fondere la giunzione, di conseguenza la molla si ritrae e il fusibile risulta interrotto. Oltre che dalla soglia di corrente in Ampere ed il tipo di cartuccia, la scelta di un fusibile è determinata anche dal potere di interruzione e dalla rapidità di intervento. I modelli per la protezione di impianti elettrici sono in genere lenti, per sopportare le brevissime ma intense sovracorrenti prodotte dall'avviamento di motori elettrici. Modelli ultraveloci vengono invece impiegati per salvaguardare i delicati circuiti a transistor. Ogni fusibile presenta una sua curva caratteristica, in cui il tempo di intervento è funzione della corrente. La sostituzione dei fusibili bruciati deve essere effettuata con attenzione, possibilmente togliendo energia elettrica a monte dell'impianto, rispettando il modello originale e soprattutto cercando di comprendere la causa dell'intervento di protezione. I fusibili possono essere catalogati in base alla categoria d'uso, ovvero, G (di uso generale) e M ( per alimentazione motori), per il campo di interruzione, g ( campo pieno) ed a ( campo ridotto ). Il fusibile di tipo g è costruito per interrompere correnti di cortocircuito presunte a partire dal valore della corrente nominale, mentre i fusibili a campo ridotto sono costruiti in modo da intervenire solo per correnti superiori alla corrente nominale. Sono adatti alla protezione dei motori elettrici in quanto, non interrompono la corrente di spunto che si ha durante l'avviamento del motore. 4. Quarto blocco: il quarto blocco rappresenta il raddrizzatore, che permette la conversione da 6Vac a 7,5Vdc. Al suo interno sono presenti tre elementi, ovvero, il ponte di Graetz, il condensatore ed il circuito integrato, dal quale ho prelevato il potenziometro. 4.1 Ponte di Graetz: adottando quattro diodi disposti in configurazione a ponte di Graetz è possibile ottenere un segnale che è la somma di una semionda positiva più la semionda negativa capovolta ( doppia semionda ). Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua, non richiedendo per altro un trasformatore con doppio avvolgimento a presa centrale. 4.2 Condensatore: II condensatore o capacitore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica. Nella teoria dei circuiti il condensatore è un componente ideale che può mantenere la carica e l'energia accumulata all'infinito, se isolato (ovvero non connesso ad altri circuiti), oppure scaricare la propria carica ed energia in un circuito a cui è collegato. Nei circuiti in regime sinusoidale permanente esso determina una differenza di fase di 90 gradi fra la tensione applicata e la corrente che lo attraversa. In queste condizioni di funzionamento la corrente che attraversa un condensatore ideale risulta in anticipo di un quarto di periodo rispetto alla tensione che è applicata ai suoi morsetti. Un condensatore è generalmente costituito da una qualsiasi coppia di conduttori (armature o piastre) separati da un isolante (dielettrico). La carica è immagazzinata sulla superficie delle piastre, sul bordo a contatto con il dielettrico. Poiché ogni piastra immagazzina una carica uguale ma di segno opposto una rispetto all'altra, la carica totale nel dispositivo è sempre zero. L'energia elettrostatica che il condensatore accumula si localizza nel materiale dielettrico che è interposto fra le armature. Nel caso del raddrizzatore il condensatore viene collegato in parallelo e funge da filtro. 4.3 Integrato: Nel raddrizzatore è stato inserito un regolatore LM2596S che è un circuito integrato monolitico di potenza di alta precisione, in grado di modulare la tensione in uscita e pilotare un carico fino a 3A ad alta efficienza, in grado di lavorare con PLC e altre schede madri o moduli base. Può far variare la tensione in uscita da 1,25Vdc a 35Vdc, nel mio caso è stato dissaldato il componente al suo interno che fungeva da regolatore, per derivarci un potenziometro con manopola. 5. Quinto blocco: nel quinto blocco, posto solo su una fase, contiene l'interruttore che ha la funzione di far avviare il motore. L'interruttore è un dispositivo elettrico o anche un dispositivo elettronico in grado di interrompere un circuito elettrico. Quando l'interruttore è configurato in modo da consentire il passaggio di corrente si definisce chiuso, quando invece il passaggio è interdetto di definisce aperto. Nel mio caso ho inserito un interruttore switch. 6. Sesto blocco: all'interno del sesto blocco troviamo i fusibili, attraversati da una tensione di 7,5Vdc, che proteggono il motore in corrente continua dal cortocircuito. 7. Settimo blocco: il settimo blocco è il motore in corrente continua, che nel caso del controllo di velocità, è il sistema controllato. Una macchina in corrente continua, a magneti permanenti e non, essendo reversibile, può funzionare sia da motore che da generatore. La macchina in d.c. è stata la prima macchina elettrica realizzata, ed è tuttora utilizzata ampiamente per piccole e grandi potenze, come ad esempio per usi domestici, motori per trazione ferroviaria e marina della potenzia di molte centinaia di kW. La macchina a corrente continua funziona da motore quando è alimentata da un sistema a tensione continua che fornisce la potenza elettrica necessaria, eroga potenza meccanica al carico collegato al proprio asse. Affinchè ciò sia possibile deve esserci, anche in questo caso, un campo magnetico induttore prodotto dall’avvolgimento di eccitazione. Applicando tensione al circuito indotto, la corrente assorbita dal motore e che arriva alle spazzole si divide, nelle due vie in parallelo, in due correnti circolanti nei conduttori dell’indotto, con versi di percorrenza tra loro opposti rispetto al piano di inversione, in corrispondenza del quale sono poste le spazzole. I conduttori sono anche sottoposti all’azione dell’induzione magnetica creata dall’avvolgimento induttore, con linee di flusso dirette radialmente lungo il traferro e, pertanto, su ogni conduttore nascerà una forza, diretta tangenzialmente rispetto alla circonferenza rotorica; il complesso delle forze origina una coppia motrice che determina la rotazione del rotore e a cui si oppone la coppia resistente del carico meccanico. Il senso di rotazione della macchina risulta determinato da quello delle forze, a sua volta dipende dalla polarità del campo induttore e dal verso delle correnti indotte. Ne consegue che per invertire il senso di rotazione del rotore è sufficiente invertire il verso della corrente nell’indotto oppure le polarità del campo induttore; effettuando entrambe le inversioni il senso di rotazione non cambia. Durante la rotazione i conduttori dell’indotto tagliano le linee di flusso del campo magnetico e si originano, di conseguenza, delle tensione indotte negli stessi. La tensione indotta risultante è diretta verso la spazzola positiva del motore e si oppone alla tensione di alimentazione, assumendo la caratteristica di forza contro elettromotrice (f.c.e.m.), con valore direttamente proporzionale al flusso e alla velocità di rotazione. Le parti costituenti la macchina a corrente continua sono: Albero meccanico, separato dalla parte fissa mediante cuscinetti che ne permettono la rotazione, quando la macchina funziona da motore l’albero è connesso al carico meccanico, a cui fornisce la potenza. Rotore, montato sull’albero in modo da ruotare con esso e comprendente un nucleo magnetico laminato, di forma cilindrico e dotato di cave, un avvolgimento elettrico (indotto) distribuito nelle cave e, posto su una delle due estremità, il collettore a lamelle, collegato elettricamente all’avvolgimento indotto. Il nucleo magnetico rotorico ha forma cilindrica e ha il compito di consentire la chiusura delle linee di flusso e di alloggiare i conduttori nell’avvolgimento rotorico (detto anche avvolgimento indotto o di armatura) all’interno delle apposite cave generalmente di tipo aperto. A causa della rotazione, il nucleo rotorico è interessato da un flusso magnetico rapidamente variabile nel tempo e, quindi è soggetto a fenomeni di isteresi magnetica e di circolazione di correnti parassite; per questa ragione viene costruito con lamierini ferromagnetici. Spazzole conduttrici fisse, poggiate sul collettore a lamelle in modo da assicurare il contatto tra l’avvolgimento rotorico e il circuito elettrico esterno; tale circuito esterno alimenta la macchina nel funzionamento da motore. Collettore, ha la forma di una corona cilindrica formata da un certo numero di lamelle in rame crudo di forma trapezoidale, isolate tra loro da sottili strati di isolante a base di mica o suoi derivati, resistente alle alte temperature. Deve essere fissato all’albero di rotazione ma isolato elettricamente da questo. Il collettore è una delle parti più delicate della macchina a corrente continua e richiede molta accuratezza nella sua costruzione e periodica manutenzione. Statore, costituente la parte fissa della macchina e comprendente il nucleo magnetico, del tipo a poli salienti, e l’avvolgimento di eccitazione (induttore), alimentato in corrente continua. Il nucleo magnetico statorico è costituito da un cilindro cavo, all’interno del quale sono riportati i poli. Esso ha una duplice funzione, meccanica e magnetica. Dato che il flusso magnetico che interessa il nucleo statorico è normalmente costante nel tempo, non si verificano fenomeni di isteresi magnetica e di circolazione di corrente parassite. Fanno eccezione le macchine funzionanti con corrente di eccitazione regolabile nel tempo per le quali il flusso magnetico non è più costante. L’avvolgimento induttore ( detto anche avvolgimento di campo) ha il compito di creare il campo magnetico principale della macchina ed è costituito da bobine a forma di solenoide posta sui poli statorici, collegati in serie fra loro e percorsi dalla corrente continua di eccitazione. Carcassa esterna, formata in parte dallo stesso nucleo statorico e da vari altri elementi strutturali ( scudi laterali, piedi per il fissaggio al basamento, scatola dei contatti, ecc…). Sistema di raffreddamento, presente nella macchine di elevata potenza di costruzione chiusa e realizzato generalmente con uno scambiatore di calore aria-aria mosso da un motore elettrico ausiliario. 8. Ottavo blocco: nell'ottavo ed ultimo blocco troviamo la dinamo tachimetrica, appoggiata coassialmene all'albero del motore in corrente continua, usato per la rilevazione della velocità di rotazione. Lo strumento usato è uno strumento digitale, e dato che la dinamo è uno strumento analogico, ho aggiunto nell'ultimo blocco il display digitale con su scritto il numero di giri al minuto rilevato dalla dinamo. La dinamo tachimetrica trasforma la velocità i rotazione dell'albero di un motore al quale è montata coassialmente in una tensione a esssa proporzionale. Dal punto di vista costruttivo è una macchina elettrica costituita da un circuito di eccitazione a magneti permanenti; all'interno del suo campo ruota un avvolgimento di indotto; la rotazione fornisce alle spazzole, che rappresentano i morsetti di uscita, una forza elettromotrice proporzionale alla velocità angolare. In sede di progetto bisogna tenere conto anche del valore minimo di resistenza che può essere applicato in uscita per non superare il limite di carico di corrente nelle condizioni di velocità massima. Il costruttore fornisce come specifiche tecniche il numero massimo di giri compatibile con le resistenza meccanica del dispositivo e il limite di carico di corrente. Il segnale fornito dalla dinamo tachimetrica costituisce, in un sistema di controllo ad anello chiuso, il segnale di retroazione. La dinamo tachimetrica è rappresentabile mediante un blocco semplicemente proporzionale; presentando una costante di tempo nulla, non introduce ritardi nella risposta del sistema. Dati di targa di ogni singolo componente. Protezione magnetotermica: “ Schneider Electric” C60H-DC C 2A IEC/EN 60947-2 Rating (A) 0,5 - 25 30 - 63 mm2 Torque m.N 2,5 3,5 1 - 25 1 - 35 Tref = 25° C Ue = 500V Icu = 6kA Ue = 440V Icu = 10kA Ue = 220V Icu = 20kA Uimp = 6kV Deg 3 ( C ) : li = 8,5ln Ics = 75% Icu Cat A Fusibili Protezione secondario trasformatore Porta fusibili: Fusibili: “Schneider Electric” STI 10,3 x 38 500Vac 15651 “Legrand” 130 95 IEC 947 .3 – AC20B I1 = 100kA aM = 0,5A Ie = 32A 50Hz IP3XD 500 Vac gG : I emax = 32A 3,5W IEC / NF HD 60269-2 aM : I emax = 25A 10 x 38 Trasformatore Lamellare “ G&BL” MODEL: 959/MW8210GS PRI: 230Vac 50Hz 20,5W SEC: 6Vac 1800mA 10,8VA (max) Raddrizzatorea Ac-Dc Ponte di Graetz: Tipo: KCPC610 Corrente nominale In: 6A VVRMS: 700V VRRM: 1000V Condensatore: Integrato: “Lelon” Tipo : H340(M) “Dc-Dc buck converter step-down module output 1,25V - 35” RGA : 105°C Modulo: LM2596S Capacità elettrica : 2200 µF Modello: IM130731002 25V Max. corrente di uscita: 3A Motore in corrente continua “Motore a spazzole D.c.” Vn : 7,5V In : 500mA