Gli azionamenti dei motori
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Gli azionamenti dei motori • Per azionamento si intende, in generale, un insieme di apparecchiature, gruppi convertitori, attuatori, organi di trasmissione, macchine operatrici, dispositivi di controllo. azionamento • la sua funzione è lo svolgimento di un certo numero di operazioni, quali cicli di lavorazione o movimenti di organi meccanici, con prestabilite leggi di moto (posizione e velocità). I quadranti di un azionamento motore cc Velocità Freno meccanico/generatore elett. Q2 w> 0 C< 0 P< 0 motore Q3 w< 0 C< 0 P> 0 motore Q1 w> 0 C> 0 P> 0 Q4 w< 0 C> 0 P< 0 Coppia Freno meccanico/generatore elett. Le varie fasi del movimento possono essere riassunte dallo schema seguente Velocità Tempo Caratteristica del mat al variare di s Per gli azionamenti di motori funzionanti in corrente alternata si avranno : • regolazione mediante reostato di avviamento e numero di poli ; • regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione ; • regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza. Unità N° 1: Generalità sui dispositivi elettronici di potenza • I moderni sistemi di controllo e comando delle macchine elettriche impiegano diffusamente dispositivi elettronici di potenza, grazie ai quali è possibile, ad esempio automatizzare e ottimizzare la regolazione della velocità I dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come interruttori I OFF I=0 V I ON I>0 Ordine di grandezza dei parametri elettrici Tensioni: kV Applicazioni di potenza Correnti: A - kA Potenze: kW - MW Dispositivi elettronici di potenza • DIODI • SCR (Raddrizzatori Controllati al Si)* • SWITCH CONTROLLATI: - BJT - MOSFET - IGBT - GTO* (Gate Turn-Off) * SCR e GTO = TIRISTORI IGBT • Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono transistor BJT con integrato uno stadio di comando a MOS. Sono pilotabili, quindi, in tensione. Hanno perdite di comando e frequenze operative intermedie tra MOSFET e BJT. IGBT C G E CONFRONTO Prestazioni limite dei vari componenti tiristori [kV] 5 GTO 4 3 MCT IGBT BJT 2 1 00 sviluppo previsto per l’MCT MOSFET 0.5 1 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1.5 [kA] 2 2.5 3 3.51 MHz Confronto tra dispositivi controllati Proprietà relative degli switch controllati dispositivo potenza pilotabile velocità di commutazione BJT/MD MOSFET GTO IGBT MCT Media Bassa Alta Media Media Media Alta Bassa Media Media Gli inverter • • • • • • Gli inverter Negli inverter si riconoscono tre parti fondamentali: il raddrizzatore detto anche convertitore CA-CC il filtro il convertitore CC-CA Scopo del raddrizzatore è di trasformare la corrente alternata monofase e trifase in c.c.. • Spesso ha anche il compito di recuperare l’energia elettrica durante la fase di frenatura. INVERTER Filtro Convertitore dc-ac Inverter M 3~ Schema generale di un azionamento con motore elettrico Rete di alimentazione AC Convertitore AC/DC INVERTER MOTORE M CONTROLLO COMANDO DUE CASI • Rete di alimentazione in corrente continua (es. linee ferroviarie): solo INVERTERS (fig.2) • Rete di alimentazione in alternata:doppia conversione per avere a monte del motore l’alternata a frequenza variabile (caso della pagina precedente - fig. 3) AC/DC DC/AC M M Fig. 2 DC/AC Fig. 3 INVERTER Raddrizzatore non controllato a ponte monofase Raddrizzatore a ponte monofase • Condensatore adeguato lato DC per filtraggio e accumulo energia Analisi del raddrizzatore a ponte con induttanza non nulla lato AC A B • Ip.: corrente d’uscita Id costante Raddrizzamento FILTRAGGIO L1 L2 CONVERTITORI AC-DC TRIFASI L3 T1 T3 T5 L R E T4 T6 Impulsi ai gate T2 Per capire il funzionamento, si farà il caso semplice di un convertitore a ponte di SCR, con carico resistivo Vs = Vmax sin t id T1 T2 R vs T3 T4 vd FUNZIONAMENTO Vs > 0: T1 e T4 sono polarizzati direttamente; si possono accendere con l’impulso di gate, mentre T3 e T4 sono polarizzati in inversa Vs < 0: è il contrario del caso sopra! vd t = Variando l’angolo di innesco, la Vd si modifica e varia, di conseguenza, la tensione media sul carico (<Vd>). = angolo di innesco Ig1 Ig2 Ig3 Ig4 <Vd> = valor medio della Vd <Vd> = Vmax (1+cos )/ <Vd> = Vmax (1+cos )/ • I valori medi dipendono da ; • La conduzione è discontinua per compreso fra 0 e ; • Conduzione discontinua = una coppia di SCR si spegne prima che si accende l’altra coppia di SCR. Dimostrazione del valor medio 1 t 1 Vmedio Vmax sin d Vmax sin d T 0 0 Vmax Vmax [ cos ]0 (1 cos ). Principio di funzionamento di un INVERTER monofase Vi Vi R B A Vi Vu t 1 2 Vu Fig. 1 t T SIX STEP Il six-step, viene alimentato in corrente continua mediante raddrizzatore interposto tra il dispositivo stesso e la rete. il six-step è composto da 6 contatti statici chiamati switch, a seconda dell’ordine di chiusura e della loro frequenza generano onde quadre. Ogni colonna di switch viene chiamata "gamba di inverter" A seconda della sequenza di chiusura degli switch le tensioni UA, UB, UC, localizzate rispettivamente nei punti A, B, C, si posizioneranno sul "+" o sul "-" . Schema a blocchi dell’INVERTER con controllo PWM Oscillatore Portante Alimentatore Oscillatore Modulante Vin Modulatore PWM Invertitore Vout Oscillatore modulante: fornisce al modulatore il riferimento di tensione sinusoidale con frequenza pari a quella desiderata in uscita; Portante: forma d’onda triangolare con fp >> fm; Modulatore: confronta istante per istante i valori del s.le modulante e di quello portante e invia il comando di commutazione dell’invertitore; Alimentatore: tensione costante. PWM t 1a 3a 5a 7a 9a 11a armoniche f t 1a 3a 5a 7a 9a 11a armoniche f t 1a 3a 5a 7a 9a 11a f armoniche Gli inconvenienti presenti nel sixstep vengono superati con gli inverter drive PWM. PWM PWM • Schema a blocchi inverter PWM CONTROLLO SCALARE DEL M.A.T. CONTROLLO DELLA VELOVITA’ VOLT/HERTZ A CATENA CHIUSA V/Hz = il rapporto Vs/a, è costante. Dove: Vs = tensione statorica; a = pulsazione di alimentazione a Cm Accelerazione Decelerazione a Regolazione motori • La regolazione della velocità dei motori elettrici può essere ottenuta o impiegando motori in corrente continua regolando la tensione di armatura o di eccitazione(PWM), oppure impiegando motori in corrente alternata regolando la frequenza di alimentazione Numero poli • Esistono dei motori asincroni che , per costruzione, possono funzionare a due diverse velocità. Questi motori hanno lo statore dotato di uno speciale avvolgimento che consente di eseguire il raddoppio del numero dei poli. • Regolazione tramite controllo dell’ampiezza della tensione. Nel motore asincrono la coppia è legata al quadrato della tensione di alimentazione : per questo motivo la variazione della tensione modifica l’ordinata della caratteristica meccanica, ma non il suo andamento. Le variazioni di tensione non esercitano alcuna influenza sulla velocità a vuoto: le variazioni invece provocano un aumento dello scorrimento e una diminuzione della velocità quando il motore è sotto carico. Un tale sistema è quindi particolarmente adatto per ottenere delle piccole variazioni di velocità continue entro limiti dell’ordine del 10%. • Regolazione tramite controllo della tensione e della frequenza. La seguente relazione n = 60f/p • evidenzia la possibilità di variare la velocità agendo sulla frequenza f della tensione di alimentazione del motore. Per poter realizzare un buon azionamento occorre tener conto che : • il flusso al traferro deve essere mantenuto costante al suo valore nominale per un ottimo sfruttamento della macchina che deve erogare coppia costante ; • la corrente assorbita dalla macchina non deve superare il valore nominale per non incorrere a pericolosi surriscaldamenti • Funzionamento a coppia costante (flusso costante). • Ricordando che la coppia massima erogata dal motore è data dall’espressione : • considerando che X2(1)=2L2=s1 L2=2f1sL2 • esprimibile anche come 2 V1 1 3p 2 2 4 s m f 2 L2 • inoltre, nelle condizioni di funzionamento poichè s rimane costante, tale espressione può essere ricondotta al rapporto fra tensione e frequenza, come di seguito riportato : • TMax=k (U1N/f)2 • dove la costante vale 3p 1 k 2 2 4 s m 2 L2 potenza c oppia U1 U1N c oppia c ostante potenza c ostante potenza dec resc ente f Unità N° 4 Applicazioni Climatizzatori • Un INVERTER difficilmente può essere immaginato come parte integrante di un climatizzatore in quanto esso è già collegato alla normale rete di distribuzione dell'energia elettrica pertanto per comprendere bene lo scopo e le funzioni dei climatizzatori inverter è bene fare una piccola precisazione: nei climatizzatori in realtà il sistema "INVERTER" è composto da due componenti: un raddrizzatore di corrente e l'inverter vero e proprio. • Il raddrizzatore si occupa di trasformare la corrente alternata della rete elettrica in corrente continua che poi viene nuovamente trasformata in corrente alternata dall'inverter. • Paranco • E’ un sistema montato su carrello scorrevole su rotaia in grado di sollevare carichi anche in modo continuativo: rotoli di carta, pezzi di utensili,… M1 M2 • Il motore di spostamento M1 deve avere: • Avvio progressivo per evitare dondolamenti del carico • Avvicinamento a bassa velocità al punto di arresto • Si può realizzare l’azionamento con: • Un m.a.t. associato ad un Controllo Di Frequenza • Regolazione velocità con rampe di accelerazione e decelerazione • Gamma di velocità 1:20 • 2 sensi di marcia con frenatura • IP55 se all’aperto • Il motore di sollevamento M2 neccessita: • Progressione nel sollevamento per evitare sovraccarichi • Avvicinamento a bassa velocità M1 M2 Controllo vettoriale di flusso • In un azionamento scalare non è possibile ottenere coppia nominale a bassissima velocità, vale a dire a 2 o 3Hz e in generale sono utilizzabili tra 5 e 50Hz. • • I motori in corrente continua consentono invece di avere coppie elevate anche a basse velocità, ciò è stato ottenuto, tramite un opportuno orientamento del collettore e spazzole in modo che le componenti di corrente che producono il flusso e la corrente attiva che produce la coppia siano sempre ortogonali. • Ciò assicura che il controllo del motore in c.c. produca facilmente la coppia desiderata a qualunque velocità. • La presenza dello stesso collettore e delle spazzole, richiedendo una costante manutenzione, ha reso svantaggioso l’uso dei motori in corrente continua a vantaggio degli asincroni e dei brushless. • • Nel brushless è il sensore che rileva la posizione del rotore e consente di avere l’ortogonalità tra il flusso rotorico r e quello statorico s. N r r s r s s I • La risposta è stata il controllo vettoriale del flusso. • Negli azionamenti vettoriali, la scheda di pilotaggio controlla le correnti che producono il flusso e la coppia in modo da ottimizzare il funzionamento e renderlo analogo al motore in corrente continua. La corrente totale (Is) è scomponibile in una componente (Id) magnetizzante o reattiva che produce il flusso e una componente (Iq) attiva che produce la coppia. La componente magnetizzante deve mantenersi costante nelle diverse condizioni di carico ( flusso costante). Modulazione vettoriale / orientamento di campo • Nella modulazione vettoriale viene utilizzato un modello matematico del motore. La corrente presente nello statore del motore viene misurata e viene scomposta nei vettori corrente rotore e corrente reattiva, dove • • la corrente rotore genera la coppia motrice • • la corrente reattiva genera il flusso della macchina • E’ possibile ottenere ciò in due modi. Il primo modo è il “Full Closed Vector Control “ • L’altro sistema è ad anello aperto, è più economico e soddisfa tutte quelle richieste di azionamento che non devono essere particolarmente sofisticate. • la scheda di controllo non ha il sensore “sensorless” e desume i parametri di funzionamento (velocità coppia) indirettamente tramite la corrente assorbita dal motore. Tramite un modello matematico si ricostruisce un sistema virtuale ad anello chiuso conclusione • Con l'aiuto di entrambe queste componenti della corrente, è possibile intervenire in modo indipendente sia sulla coppia, sia sul flusso magnetico, ottenendo così una regolazione molto dinamica Frenatura • Il termine frenatura designa gli effetti prodotti dall’energia che il motore ritorna alla scheda pilota in alcune condizioni. Una produzione di energia da parte del motore,si ha quando un carico è decelerato rapidamente o fermato, o quando in un controllo di un moto verticale, il carico è abbassato. frenatura frenatura • E’ possibile gestire questa energia in due modi • Frenatura dinamica – probabilmente il metodo più comune di controllare la rigenerazione. Essenzialmente il metodo consiste nel predisporre un resistore che assorbe l’energia generata e la dissipa sotto forma di calore. Filtro Convertitore dc-ac Inverter M 3~ • Frenatura rigenerativa. – Un raddrizzatore controllato, usato in aggiunta a quello preesistente, consente di rigenerare l’energia prodotta recuperandola nella rete principale. La tecnica rigenerativa, dati gli alti costi, è realizzata solo in appicazioni particolari. • Schema di inverter rigenerativo • L’azionamento funziona in tutti quadranti. M frenatura Frenatura con iniezione di corrente continua: si rimanda a quanto già detto sugli avviatori.
