Azionamenti: dc
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Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori a collettore e Sincroni Prof. Alberto Tonielli DEIS - Università di Bologna Tel. 051-6443024 E-mail: [email protected] Indice generale del corso ■ Parte 1 Introduzione, richiami di Controlli Automatici ed Elettrotecnica ➨ Generazione elettromagnetica di coppia ➨ ■ Parte 2 ➨ ■ Parte 3 ➨ ■ Tipologie dei motori elettrici e dei relativi azionamenti ● Motori ed azionamenti C.C. ● Motori ed azionamenti Brushless (sincroni a magneti permanenti) ● Motori ed azionamenti Asincroni ad Induzione ● Motori passo-passo e coppia Introduzione al controllo assi Parte 4 Scelta dell'azionamento ➨ Dimensionamento del motore e dell'amplificatore ➨ Esempi di dimensionamento ➨ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 2 Indice della Seconda Parte ■ ■ Cenni sugli amplificatori di potenza Motori a collettore (C.C.) principio di funzionamento ➨ controllo di coppia ➨ ■ Motori Brushless a campo trapezoidale principio di funzionamento ➨ controllo di coppia ➨ ■ Motori Brushless a campo sinusoidale principio di funzionamento ➨ controllo vettoriale di coppia ➨ ■ Motori asincroni ad induzione principio di funzionamento ➨ controllo di velocità in catena aperta e vettoriale di coppia ➨ ■ Motori a riluttanza variabile ➨ passo-passo e motori coppia Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 3 Componenti di un Azionamento Convertitore di potenza tensione di uscita convertitore tensione di almentazione ingresso di controllo Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna alimentazione uscita ingresso di controllo Azionamenti Elettrici 2- 4 Componenti di un Azionamento Convertitore di potenza E E A 1 B 3 1 A B 3 C 5 a b 2 A c 4 B 2 A a) monofase Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna 4 B 6 C b) 3-fase Azionamenti Elettrici 2- 5 Componenti di un Azionamento Modulazione a larghezza di impulso (PWM) Vout = 0 Vout = +20% A A B B T a) Vout = -20% A B T b) Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna T c) Azionamenti Elettrici 2- 6 Convertitore di Potenza I E Vac Corrente non sinusoidale E distorsione armonica sulla rete Problemi: • rendimento energetico • malfunzionamenti • condens. di rifasamento • trasform. media tensione A 1 B 2 A AC/DC Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna 3 4 B DC/AC Azionamenti Elettrici 2- 7 Componenti di un Azionamento Power transistors Tipo Bipolare MOS-FET IGBT Potenza < 400KW < 10KW < 600 KW Frequenza 5-8KHz 20-30 KHz 12-20KHz Corrente < 500A < 100A < 800A Tensione < 1400V < 800V < 1800V Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 8 Componenti di un Azionamento Motori a riluttanza fissa ■ Motore a collettore a magneti permanenti ➨ ■ in corrente continua Motore sincrono a magneti permanenti Brushless a campo trapezoidale ➨ Brushless a campo sinusoidale ➨ ■ Motore asincrono ad induzione ➨ con rotore a gabbia di scoiattolo Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 9 Motore a collettore Pro ■ ■ ■ ■ ■ Nella versione a MP è un sistema lineare Sistema autostabilizzante Alimentazione singola in continua Semplicità di controllo Molto usato in automazione Contro ■ ■ ■ ■ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Collettore e contatti striscianti Genera calore sul rotore Non idoneo in ambienti saturi di gas infiammabili (verniciatura) velocità massima fissa e limitata dalla tensione Azionamenti Elettrici 2- 10 Motore a collettore Statore Rotore N ia ia Rotore: avvolgimenti in serie cortocircuitati ϕe A B S sezione trasversale Isolante Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Conduttore Azionamenti Elettrici 2- 11 Motore a collettore Collegamenti degli avvolgimenti di rotore Azione delle spazzole e del collettore 1’ 1 I 2’ 2 A B + - 1’ 3 1 3’ 4 6’ 4’ 6 5’ 5 0° 2 I 6’ A + 6 5’ 2’ B - I 4 5 4’ +30° Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna 1 1’ 2 6’ 3 6 3’ I 5’ A B + - 2’ 3 3’ 5 4’ 4 +60° Azionamenti Elettrici 2- 12 Motore a collettore N Caratteristiche strutturali derivanti dalla costruzione ■ direzione di Ia costante ➨ ia ia ■ ϕe direzione di Ie costante ➨ ■ ■ S Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna collettore/spazzole per costruzione valore di Ia ⇒ variabile valore di ϕe ecc. separ. ⇒ variabile ➨ magn. perm. ⇒ costante ➨ Azionamenti Elettrici 2- 13 Motore a collettore - modello Due circuiti elettrici Eccitazione Armatura N 1 2 d ϕ cj c m =− ∑ i j 2 j =1 d ϑ i j = cos t . ia ia d ϕ ce =0 dϑ d ϕ ca dϑ S = ϕe ϑ =0 ϕe Coppia F.e.m. Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna c m = − K ϕ e ia e = − K ϕ eω Azionamenti Elettrici 2- 14 Motore a collettore - modello matematico Armatura Eccitazione Coppia motore con magneti permanenti di a + K ϕ eω dt dϕ e v e = re i e + dt v a = ra i a + L a c m = − K ϕ e ia di a v a = ra i a + L a + K mω dt cm = −K Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna m ia Azionamenti Elettrici 2- 15 Motore a collettore a MP - schema a blocchi v a − K m ω = ra i a + L a v i = ra i a + L a di a dt di a dt dw J = (c m − c r ) dt v i (s )= ra i a (s )+ sL a i a (s ) va + vi - 1 R+Ls Jws = (c m − c r c m = − K m ia ia Cm Km + Cr - 1 Js ) ω Km Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 16 Motore a collettore - Velocità massima di rotazione ϕe di v a − K ϕ e ω = ra ia + L a a dt va = = ω max ω se Kϕ e Cm = 0 vi = 0 v + vi - 1 R+Ls ω < ωmax ia ω può essere > ωmax Cm Km ω ωmax deflussaggio non con MP + Cr - 1 Js ω Km Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 17 Azionamenti per motore c.c. a M.P. Controllo di coppia = controllo di corrente Tsp 1 Km Isp + - PID V amplif. motore I ingresso opzionale in coppia Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 18 Sincrono a Magneti Permanenti - Brushless Pro ■ elevati: ➨ ➨ ➨ ➨ ■ ■ assenza di spazzole bassa inerzia ➨ ■ ■ ■ rapporto potenza/peso affidabilità capacità di sovraccarico velocità massima Contro ■ ■ costo relativamente elevato problemi ➨ ➨ ■ elevate accelerazioni calore solo sullo statore la potenza fornita genera solo coppia e non campo funzionamento in ambiente ostile Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna alle alte temperature (smagnetizzazione) in ambienti con presenza di polveri ferromagnetiche. velocità massima limitata dalla tensione ➨ limitata extravelocità con azionamento vettoriale Azionamenti Elettrici 2- 19 Sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) ■ F1 F2 F2 F1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Sezione dello statore di un motore bifase a due poli F1 ⇒ fase #1 F2 ⇒ fase #2 Tutto quanto ricavato nel seguito vale anche per motori trifase con neutro inaccessibile Azionamenti Elettrici 2- 20 Sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) F1 F2 Se: Is1 = IM sinωt Is2 = IM cosωt ⇒ Is =1.41IM cos(ωt-π/4) 1 Is2 Is Diagramma vettoriale delle correnti di fase (Is1, Is2) e della loro risultante Is 2 Is1 F2 F1 assi delle spire equivalenti ai due avvolgimenti di statore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 21 Sincrono a Magneti Permanenti (Brushless) F1 F2 Sezione del motore completo ■ N Is Struttura opposta al motore a collettore magneti permanenti sul rotore ➨ avvolgimenti sullo statore ϕr ➨ ■ brushless ➨ S F2 F1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna senza spazzole ● tutti i motori AC sono Brushless Azionamenti Elettrici 2- 22 Brushless a campo trapezoidale Realizzazione a campo trapezoidale ⇒ almeno tre fasi 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360° ϕca(ϑ) lineare con ϑ ϕcb(ϑ) non lineare con ϑ ϕcc(ϑ) andamento del flusso concatenato (ϕc) a corrente costante Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 23 Brushless a campo trapezoidale 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360° ϕca ϕcb ϕcc dϕca dϑ dϕcb dϑ dϕcc dϑ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna n c m =∑ i j j =1 d ϕ cj dϑ i j = cos t . Per ogni fase ci sono due regioni nelle quali, con corrente costante, la coppia è costante. Alternando le fasi ed i segni delle correnti si può ottenere coppia costante sul giro. Azionamenti Elettrici 2- 24 Brushless a campo trapezoidale Caratteristiche principali ■ Progettato per fornire f.c.e.m. trapezoidale ➨ ■ La presenza della induttanza di statore impedisce alla corrente di commutare in tempo nullo ➨ ■ ■ ■ ■ sottoutilizzo in termini di inerzia, rendimento e peso ondulazione di coppia Dispositivo per la misura della posizione semplice ed economico Primo tipo di Brushless in commercio (SIEMENS) Applicazioni fino a qualche centinaia di Watt periferiche per calcolatori Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 25 Azionamenti per motore sincrono a M.P controllo di coppia ⇒ controllo di corrente schema per pilotaggio di fase singola Problemi nelle commutazioni di settore la corrente di fase evolve con dinamica ≠ 0 Tsp 1 km Isp PID CUR V switch logic sgn PWM ϑ sector Inverter ϑ + Motor Hall sensors I Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 26 Azionamenti per motore sincrono a M.P + di 1 ≈ (v − e ) dt L di E ≈+ dt L i bassa velocità ω≈0 e≈0 + t i media velocità ω ≈ ωmax/2 e ≈ E/2 t i − di E ≈− dt L di E ≈+ dt 2L − di 3E ≈− dt 2L + alta velocità t Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna ω ≈ ωmax e≈E di E ⟨⟨+ dt L − di 2E ≈− dt L Azionamenti Elettrici 2- 27 Azionamenti per motore sincrono a M.P Effetti dinamici della correnti sulle commutazioni A bassa velocità Ad alta velocità i i a a ϑ=120° ϑ=120° t t ripple di coppia i i b b ϑ=120° t ϑ=120° t controllo di corrente per ogni fase Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 28 Brushless a campo sinusoidale - modello Due circuiti elettrici d ϕ cα vα = Ri α + dt d ϕ cβ v β = Ri β + dt fase 1 fase 2 β ϕ c α = ϕ α + ϕ r cos ϑ ϕ c β = ϕ β + ϕ r sin ϑ dϕ α − ω ∗ ϕ r sin ϑ dt dϕ β + ω ∗ ϕ r cos ϑ v β = Ri β + dt α ϕr ϑ vα = Riα + assi magnetici delle fasi Per ricavare la coppia si calcola la potenza assorbita dal motore come v α ∗ iα + v β ∗ i β = P A = PDiss + PIm m + PMecc Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 29 Brushless a campo sinusoidale - modello Due circuiti elettrici v α ∗ iα + v β ∗ i β = P A = PDiss + PIm m + PMecc PDiss = Ri + Ri 2 α 2 β fase 1 fase 2 β α ϕr ϑ dϕ β dϕα PIm m = iα + iβ dt dt PMecc = ω ∗ ϕ r (− iα ∗ sinϑ + iβ ∗ cosϑ ) assi magnetici delle fasi Cm = k c (− iα ∗ sinϑ + iβ ∗ cos ϑ ) Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 30 Brushless a campo sinusoidale - modello Due circuiti elettrici Cm = k c (− iα ∗ sinϑ + iβ ∗ cos ϑ ) se I1 = Imcosα fase 1 β I2 = Imsinα c m = k c ∗ I m ( − cos α sin ϑ + sin α cos ϑ ) γ ϕr fase 2 α ϑ α I c m = k c ∗ I m sin (α − ϑ ) se α = ϑ + γ c m = k c ∗ I m sin γ cm costante solo se α e ϑ ruotano sincroni cm = cmmax per una data Im se γ = ±π/2 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 31 Brushless bifase a campo sinusoidale - modello Equazioni del motore ϕr diα R vα = − iα + ( sin ϑ )ω + dt L L L diβ vβ ϕr R = − iβ − ( cos ϑ )ω + dt L L L cm = k c ( −i1 sin ϑ + i2 cos ϑ ) riferimento fisso di statore grandezze sinusoidali Riferimento rotante sincrono 2 q grandezze continue x ϑ d 1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 32 Brushless bifase a campo sinusoidale - modello Equazioni del motore ϕr diα R vα = − iα + ( sin ϑ )ω + dt L L L diβ vβ ϕr R = − iβ − ( cos ϑ )ω + dt L L L cm = k c ( −i1 sin ϑ + i2 cos ϑ ) riferimento fisso di statore grandezze sinusoidali Riferimento rotante sincrono 2 grandezze continue q d x ϑ 1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 33 Brushless bifase a campo sinusoidale - modello Equazioni del motore ϕr diα R vα = − iα + ( sin ϑ )ω + dt L L L diβ vβ ϕr R = − iβ − ( cos ϑ )ω + dt L L L cm = k c ( −i1 sin ϑ + i2 cos ϑ ) riferimento fisso di statore grandezze sinusoidali Riferimento rotante sincrono 2 q grandezze continue d x ϑ 1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 34 Brushless bifase a campo sinusoidale - modello Equazioni del motore ϕr diα R vα = − iα + ( sin ϑ )ω + dt L L L diβ vβ ϕr R = − iβ − ( cos ϑ )ω + dt L L L cm = k c ( −i1 sin ϑ + i2 cos ϑ ) di d R 1 = − id + ω iq + v d dt L L di q k eω 1 R = − iq − ω id − + vq dt L L L c m = k c ∗ iq non linearità Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna modello nel riferimento fisso di statore grandezze sinusoidali modello nel riferimento rotante di flusso grandezze continue f.e.m. Azionamenti Elettrici 2- 35 Brushless a campo sinusoidale - modello I motori industriali sono tutti trifase ■ le equazioni del motore trifase (a,b,c) si trasformano nelle stesse equazioni già viste per il motore bifase (1,2) sostituendo alle induttanze di fase L le induttanze equivalenti (L-M) ➨ ■ M è la mutua induttanza tra due fasi La deduzione successiva delle equazioni nel riferimento (d-q) è la medesima Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 36 Brushless sinusoidale Schema a blocchi vd + + 1 R+Ls id Lω iq se id=0 di d R 1 = − id + ω iq + v d dt L L kω 1 R iq − ω id − e + v q dt L L L C m = k c ∗ iq di q iq ω Lω id id =− cr vq + - 1 R+Ls iq f.e.m. Motore a collettore kc cm 1 J ω ϑ ke Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 37 Azionamenti per motore sincrono a M.P. AC Brushless - campo sinusoidale Controllo ad orientamento di campo (Vettoriale) Tsp 1 km Iqsp PID ρ Vq V Inverter + Motor PWM CUR Tinv Idsp=0 PID I Vd CUR ϑ RTD Resolver A/D I/O interface Id Iq ϑ Tdir Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 38 Azionamenti per motore sincrono a M.P. AC Brushless - campo sinusoidale Controllo Vettoriale ■ Occorre un sensore continuo di posizione ➨ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Resolver elevata complessita' computazionale linearizzazione dei loop di corrente massime prestazioni dinamiche velocita' un poco superiore a quella nominale ottime prestazioni a tutte le velocità (coppia da fermo) possibilità di cogging a bassa velocità Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 2- 39 Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori a collettore e Sincroni FINE Prof. Alberto Tonielli DEIS - Università di Bologna Tel. 051-6443024 E-mail: [email protected]
