Controllo elettronico di un alternatore a basso numero di giri

Università degli Studi di Trieste
Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria dell’Informazione
Controllo elettronico di un alternatore a basso
numero di giri
Relatore:
Prof. Ing. Sergio Carrato
Laureanda:
Erica De Fazio
Correlatore:
Luciano Generali
Anno 2014/2015
Obiettivo
Realizzazione di un sistema di controllo elettronico per un
alternatore a basso numero di giri (40 rpm)
Sfruttare fonti di energia rinnovabili come
eolico e micro idroelettrico
2
Motivazioni
I sistemi di energia rinnovabili ricevono energia da pale che
lavorano a basso numero di giri (20-30 rpm in campo
idraulico; 100-300 rpm in campo eolico)
 Vengono accoppiati ad alternatori di tipo standard (600-1500
rpm)
3
Conseguenze
Si necessita quindi di un sistema meccanico di moltiplicazione di
giri
Perdita di energia e quindi di potenza
4
Specifiche di Progetto
Lavorare a bassa frequenza (12 Hz, 40 rpm) con corrente
di eccitazione nominale di 5 A
Utilizzare un alternatore di ridotte dimensioni (40 cm di
diametro e 30 cm di spessore)
Creare una macchina flessibile in grado di operare a svariate
velocità di ingresso e potenza in uscita
5
Soluzione
Progettare una circuiteria elettronica che si occupi di:
 Eccitazione
 Controllo
 Protezione
LSG 40 (Low Speed Generator 40 rpm)
6
Schema a Blocchi
DC Link 2 330V
BOBINA
CAMPO
B
D
E1
E2
H
G
R1
100-200V
C
A
~
S1
15V=
S2
DC
+15V
DC
0V
R2
330V
I
N
V
E
R
T
E
R
AC
50Hz
TA
I
L
SW1
PHASE
CONTROL
S
D1
D2
RITARDO/
ANTICIPO
Cb
SW2
D3
F
R3
Ca
SET MAX i
SW3
T1
PWM
&
ERROR
OVER
CURRENT
A Alternatore
F Sistema PWM di Regolazione della Bobina di Campo
B Rettificatore di Potenza
G Convertitore Boost 100/200V to 330V
Ca/Cb Limitatore e Commutatore Bobina di Campo
H Convertitore DC/AC 50Hz Sinus
7
Innovazione
Introduzione di un congegno meccanico : ruota fonica
STATORE
 Conoscere la posizione dei poli statorici
 Alimentare la bobina di eccitazione con una
rapida derivata di corrente
OGGETTO DI BREVETTO
8
Focus: Sommatore di Correnti
9
Blocco E- Alimentatore Bobina di Campo
Ha la funzione di alimentare la bobina di campo
È in realtà costituito da due alimentatori (E1, E2) identici,
ma settati a tensioni di uscita e controreazioni differenti
Alimentatori switching di tipo buck ( step down)
10
Blocco E- Alimentatore Bobina di Campo
+VPW
100-330V
L1
T1
1
+60V
5
+
D1
R10
10R
R11 2K2
C8
0V
6
J1 Closed
J2 Open
J1
J2
IC1
+12V
7
2
12V
+
+
C1
470uF
25V
GND 12V
3
CDM
4
LO
8
IC3
IR2111
1
IC2 7805
IN
2
12V
3
1
IN
OUT
3
GND
2
C5
1uF
6
C6
1uF
R8
2K2
R9
2K2
C7
1uF 50V
P1
47K
R7 1K
2
8
7
6
R1
22K
3
15
P2
10K
R3 2K2
IC4
2601
5
12
1
IC5
SG3524
2
R2
1K8
16
4
5
7
13
6
11
14
8
9
R4 6K8
R5
6K8
C2
1uF
R6
10K
C3
6.8nF
C4
1uF
-VPW
4
11
Blocco Ia-Sensore Ruota Fonica
è un circuito molto
semplice
Fornisce in uscita un
segnale ad onda
quadra
12
Blocco Ib- Controllore di Fase
Serve per conoscere la posizione di inizio e fine del polo
statorico
Si vuole anche poter correggere tale posizionamento per
compensare errori meccanici o adattare il momento di
applicazione della sovracorrente
13
Blocco Ib-Controllore di Fase
1
IC1
4049
78L05
+
C9 C10
100nF 100uF
8
IC1B
4049
J1
5
IC1C
4049
4
6
7
Ruota
Fonica
IC1A 2
4049
5
R3
10K
IC1D
4049
9
IC2
4071
3
14
Vdd
D1
Q1
IC3
Q1
4013A
CK
S1 GND C1
6 7 4
C3 1nF
2
1
2
3
R5 39K
P1 100K
R2
10K
J2
R4 100K
C1
100nF
3
1
14
16 13
Vdd Phase Out
IN
IC4 4046
Vss INH C1A
C1B
8 5 6
7
C4
100nF
P3 100K
9
VCO IN
4
VCO OUT
R1 IN2
11
P2
100K
C5 1uF
14
16
V+
EN
CK
IC7
4017
CE
RES
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 2 4 7 10 1 5 6 9 11
8
13
15
10
C2
100nF
R1
10K
9
12
16 14
V+ CK
8
EN
IC7
15
RES
13
4017
CE
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 2 4 7 10 1 5 6 9 11
1
2
IC6A
4001
3
IC6B
4001
4
13
D2
Q2
IC3
11
CK
4013B
Q2
S2 C2
8 10
5
6
D2 1N4148
C7 100nF
R10
10K
R6
10K
8
+VCC
9
IC6C
4001
10
IC6D
4001
11
D1
1N4148
R7
100K
IC1E
4049
11
C6
1uF
D3 1N4148
12
15
14
15
16 14
V+ CK
8
EN
RES
13
CE
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 2 4 7 10 1 5 6 9 11
IC8
4017
12
13
R8
10K
C8 100nF
R9
10K
IC1F
4049
Comando Power Switch
High Voltage
14
Blocco L- Interruttore di Potenza
600V 20A
IN1
1
600V 20A
IN2
2
T1 600V 25A
È pilotato dalla segnale della ruota
fonica
10R
2K2
J1
J2
7
+12V
3
3
4
6
1
IR2111
8
DC
12V
2
2K2
2K2
To Cb Pin 1
6
Ha lo scopo di sovrapporre la
corrente di uscita dell’alimentare
E2 a E1
1uF 50V
DC
12V
0V
4
1K5
Ingresso Segnale
Ruota Fonica
(Blocco I Pin 2)
5
2
6
3
5
10K
10K
15
Blocco C- Limitatore e Commutatore
Costituisce la protezione che interviene in caso di
cortocircuiti in uscita
Determina l’immediata diseccitazione della bobina di
campo
È costituito da due sotto blocchi Ca; Cb
16
Blocco Ca- Limitatore e Commutatore
+15V
+12V/15V
1
C1
100nF
8
C5
100nF
C3
100nF
IC3
LM393
1
IN
C7
100nF
4
1
IN
R6
100R
14
D3
1N4148
IC4
4001
4
GND
OUT
3
2
2
R7
10K
C2
100nF
C6
100nF
+5V
IC2
7805
GND
C11
100pF
+
+
C12
6.8uF 25V
D2
12V
D4
1N4148
13
12
C4 1uF
IC1
7805
R8
47K
IC4D
4001
11
IC4C
4001
10
5
9
C13
1uF
8
OUT
3
+10V
Field Coil
Power OFF
i IN
2
CORRENT
MEASURE
i OUT
3
6
IC5
TA LEM
CAS25NP
Vcc
13
OUT
12
0
11
R1 100R
R3 10K
3
R2
1K
R21
100R
4
+Field Coil
R9 220K
P1
10K
C8
100pF
R5 1K
2
+
7
1
1
-
2
IC3
LM393
D1
1N4148
GND
RESET 2
IC4A
4001
3
IC4B
4001
4
R12
12R
50W
R13
12R
50W
C10
1uF
5
R4
1K
R22
100R
6
C9
1uF
T3
R11 10R
GND Field Coil
8
+15V
R10
2K2
SW1
Reset
D5
15V
i Measure
9
17
Blocco Cb- Limitatore e Commutatore
+60V
R16
47K
T4
R17
15K
R15
8K2
D1
600V 20A
T2
R18 22K
R14 10R
T5
R17
100K
R20
6K8
D6
15V
Field Coil
R13
12R
50W
R12
12R
50W
Switcher
Device
T3
Blocco Cb
Blocco F
18
Blocco F- Sistema PWM
È il circuito di regolazione della Bobina di Campo
Fornisce un segnale di feedback per stabilizzare la
tensione di uscita
 Limita anche la massima corrente erogabile
19
Blocco F- Sistema PWM
3 +60V
BLOCCO F
D1
600V 20A
4
+12V
5 Field Coil -
1
R6
100R
P1
100K
15
R1
220K
13
12
C4 1uF
1
4
14
IC1
SG3524
P2
100K
2
R8 2K2
4
IC2
2111
7
J1
3
2
R2
1K8
16
7
6
10
8
9
T1 T1a
R11 10R
J2
1
5
R14
10K
J1 OPEN
J2 CLOSED
8
11
R13 10R
IC3A
4001
R10
2K7
6
R7
1K
R4 6K8
R3
6K8
C1
R5
10K
C2
6.8nF
C3
1uF
R9 1K
P4
100R
R12
6
R13
P3
100K
C5
1uF
0V
2
To Out Bridge
Block B
IC3B
4001
20
Field Coil
Power OFF
Risultatati del Collaudo
Funzionamento della parte eccitatrice (blocchi Cb, E, F, I, L),
andando a regolare la tensione di uscita di E2.
NOTE
E1
E2
AC out
DC out
V d.c.
V d.c.
V RMS
V d.c.
test a 40 RPM tensione tra fase e neutro
30
0
35,8
49,86
30
35
46,4
65,42
30
40
57,2
79,89
30
45
68,1
97,12
30
50
78,9
112,84
30
55
89,8
125,64
30
60
100,6
142,03
30
65
115,5
163,44
Le prove si fermano a questa tensione
21
Conclusioni
1. Presenza di distorsioni
nella tensione generata
2. Presenza di un’ondulazione
residua, variabile in
funzione della differenza di
tensione erogata dai due
alimentatori
1. Di scarsa rilevanza
poiché la tensione in
uscita è rettificata
2. Compensata
dall’inverter
3. Presenza di sovratensioni e
spikes
3. Facilmente eliminata
con filtrature e/o
protezioni
4. Surriscaldamento dell’
alternatore
4. Sistemi di
raffreddamento
22
Grazie a tutti per
l’attenzione
24
Blocco A- Alternatore
+
R
S
Bobina
Di Campo
T
-
N
Uscita
Trifase
Alternatore - Schema Elettrico
25
Blocco B- Rettificatore di Potenza
BLOCCO B
D1 Ponte
600V 25A
F1
6.3x32
+
R1
47K 5W
R
S
T
+
+
C1
470uF
400V
+
C2
470uF
400V
+
C3
470uF
400V
C4
470uF
400V
R2
47K 5W
-
26
Blocco D- Alimentatore Servizi
 Alimenta i circuiti di controllo e protezione a 12÷15 V
Gestisce tensioni di ingresso molto variabile (range 18÷ 330
V)
Può funzionare come regolare lineare o come alimentatore
a commutazione di tipo buck (step down) a seconda della
tensione in ingresso
27
Blocco D- Alimentatori Servizi
INGRESSO A.T.
(Linea Alta Tensione)
18 - 330V
D9
100V
R12
27K
R6
4K7
P1
50R
R15
33K
D4
R14 10K
1
R8 10K
T1
R7
4K7
1A
R2
18K 5W
2A
15
R3
33K
D3
5V6
D1
T3
P2
100K
R1
33R
C3 6.8nF
C2
100nF
R4
15K
D10
5V 0.6W
6
10
7
+
R5
100K
12
Carico RL
(Linea Servizi 15V)
D8
5V6
R10
4K7
8
2
11
4
14
5
Uscita 15V
D2
15V 1W
D7
1N4148
R9 2K2
16
D5
12V
13
L1 T2
C1
D6
1N4148
IC1
SC3524
R13
100K
C5 10nF
R11
4K7
9
C4 1uF
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
28
R16
100K
Blocco G- Convertitore Boost
Simile al Blocco F
Serve a innalzare la tensione rettificata (100÷250 V) a 330 V
per l’inverter
29
Blocco G- Convertitore Boost
BLOCCO G
100/250V
L1 110uH
1
D1 600V 25A
4
ipp 20A
+
0V
+330V
+
C6
470uF 450V
C7
47uF
0V
5
2
+12V
3
R6
100R
P1
100K
15
R1
220K
13
12
C4 1uF
1
J1 OPEN
J2 CLOSED
8
11
4
14
IC1
SG3524
2
R8 2K2
4
IC2
2111
7
J1
1
3
5
2
R2
1K8
16
7
6
10
8
9
T1
R11 10R
J2
R10
2K7
6
R7
1K
R4 6K8
R3
6K8
C1
R5
10K
C2
6.8nF
C3
1uF
R9 1K
P4
100R
R12
R13
P3
100K
C5
1uF
30
Blocco H- Inverter
Serve come convertitore DC/AC a 50 Hz (per la rete)
 Non è stato progettato dall’azienda
31