Generazione elettrica a bordo
Sistema alternatore - raddrizzatore - regolatore
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
1
Classificazione dei sottosistemi
SISTEMA DI GENERAZIONE E ACCUMULO
• Sistema di generazione dell’energia e carica accumulatore
• Accumulatore elettrochimico di bordo
+
-
CARICHI
Switches di plancia
Sistemi per il funzionamento del motore di propulsione
• Sistema di avviamento motore
• Sistema di accensione della miscela (ciclo Otto)
• Sistema iniezione del combustibile
Sistemi per l’ausilio alla guida
• Illuminazione anteriore e posteriore
• Sistema antibloccaggio dei freni (ABS)
• Sistema di controllo della trazione (TCS)
• Sistema elettronico per la stabilità e sospensioni attive (ESP)
• Ausilio elettronico alla navigazione e al parcheggio
Carichi
Sistemi per il comfort
• Vetri elettrici, portiere elettriche, regolazioni elettriche del posto guida e degli specchietti, ecc.
• Sistema di climatizzazione (riscaldamento elettrico, controllo elettronico del condizionatore)
Altre utenze elettriche
• Sistema antintrusione
• Preriscaldo catalizzatore
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
2
Alternatore per uso automobilistico – aspetto costruttivo (1)
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
3
Alternatore per uso automobilistico – aspetto costruttivo (2)
traferro
S
n
Rotore
s
N
Statore
a
s: piano contenente il polo S
rotorico
n: piano contenente il polo N
rotorico
a: asse di rotazione e
intersezione dei piani s e
n
in rosso: esempio di
percorso di induzione
Il circuito magnetico del rotore è molto più semplice
ed economico delle macchine Sincrone tradizionali.
Lo sfruttamento del ferro è però peggiore per via della
maggiore tortuosità delle linee di flusso (v. schema
sopra, confrontato con schema di rotore tradizionale a
sinistra)
La generazione di fem avviene nella direzione
ortogonale a induzione e velocità quindi serve flusso in
direzione radiale
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
4
Regolatore della tensione con diodo Zener
Regolatore
+
+
U*=14V
Aux
R1
R3
T2
T1
R2
Regolatore
Regolatore elettronico continuo Il sistema qui descritto effettua un controllo in retroazione
implicito: la tensione di riferimento è introdotta dal diodo Zener. La tensione di batteria è letta
attraverso il semplice raddrizzatore a tre diodi “aux”.
Se Ubatt è bassa lo Zener è spento, quindi T1 è spento e T2 acceso; il contrario avviene se Ubatt è alta.
Nel normale funzionamento, a regime, Zener sarà parzialmente acceso, quindi T1 parzialmente
acceso e T2 parzialmente spento. Tutti i componenti lavorano nella loro regione attiva anziché in
saturazione
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
5
Regolatore della tensione con diodo Zener
Regolatore
+
+
U*=14V
R
R3
Aux
T2
1
T1
R2
Regolatore
IB
Req
Regolatore elettronico continuo Il sistema qui descritto effettua
UCE=0 un controllo in retroazione
implicito: la tensione di riferimento è introdotta
dal diodo Zener.
C
IB
+
=1,5V
U
CE
è bassa lo Zener è spento, quindi T1 è spento e T2 acceso; il contrario avviene se Ubatt è+alta.
Eeq
UBE
B
Se Ubatt
E
Nel normale funzionamento, a regime, Zener
sarà parzialmente acceso, quindi T1 parzialmente
atan(1/R
eq) regione attiva anziché in
acceso e T2 parzialmente spento. Tutti i componenti lavorano nella
loro
UBE
saturazione
Eeq
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
6
Warning Lamp
I
Regolatore
+
U*=14V
WL
Aux
+
Eeq
Req
+
U
-
Circuito equivalente lato continua di
una macchina sincrona connessa ad un
raddrizzatore trifase. Eeq è
l’equivalente della forza
elettromotrice generata nella
macchina; Req è l’equivalente ai fini
elettrici (non energetici) della
reattanza di commutazione.
Charge Indicator Lamp (CIL) o Warning Lamp (WL) Il sistema di generazione dell’energia elettrica è dotato
di una lampada (WL) che si accende quando l’alternatore non agisce.
Ad es. all’avviamento del veicolo il raddrizzatore AUX è inattivo, e l’alimentazione all’avvolgimento di
eccitazione arriva attraverso il circuito della WL. Non appena l’alternatore inizia ad erogare, i diodi presenti
all’interno dei due raddrizzatori, e in particolare di Aux si attivano, e la tensione alle due estremità della WL
diventano uguali, e la lampada si spegne.
L’inizio dell’erogazione da parte dell’alternatore si ha quando la tensione dell’alternatore, riportata lato DC (Eeq
nello schema a destra) supera la tensione di batteria.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
7
Raddrizzatore ausiliario
Regolatore
+
U*=14V
A
WL
Aux
B
Utilità di Aux. L’alimentazione del regolatore di tensione, e quindi dell’eccitazione, potrebbe essere
direttamente prelevata dalla sbarra DC positiva (attraverso relè da chiudere per la preeccitazione),
risparmiando sulla costruzione di Aux. Occorre notare però che:
- i diodi di Aux sono di piccola potenza e quindi poco costosi
- è una soluzione che consente in modo semplice la preeccitazione e l’attivazione della WL.
- in veicoli recenti con ECU si può avere preeccitazione e WL attivate con switch pilotati
direttamente da ECU, e assenza di raddrizzatore ausiliario.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
8
Fase di Preecitazione
Regolatore
A
WL
Aux
+
B
U
I
+
Eeq
Req
+
U
-
Circuito di pre-eccitazione. Il raddrizzatore a diodi può essere visto dal punto di vista dei valori medi delle grandezze elettriche
come il circuito equivalente mostrato a destra dove E=(3/π)√2 U e Req=(3/π)√2Xs (Xs = reattanza interna dell’alternatore). Essendo
U il valore concatenato della tensione generata dall’alternatore, quindi proporzionale alla velocità del motore e alla corrente di
eccitazione. In realtà una certa U è generata anche senza corrente di eccitazione per via del magnetismo residuo della macchina.
Per valori bassi della velocità il magnetismo residuo non è sufficiente a generare una Eeq pari alla tensione di batteria, e quindi il
diodo del circuito a destra rimane interdetto. L’eccitazione viene prelevata dalla batteria, passa attraverso la WL, che è in serie al
circuito. La WL deve essere coordinata con l’alternatore, in quanto durante la preeccitazione la tensione applicata all’avvolgimento
di eccitazione deve essere sufficiente a generare una tensione tale da superare la caduta su due diodi in serie (uno di Aux uno di
potenza). Essa sarà comunque inferiore a 12 V, e quindi il regolatore di tensione si posiziona sulla piena eccitazione.
Il grosso sella tensione cade comunque sulla WL che è da 12 V, normalmente da 2W. Se si usa una lampadina troppo poco potente
(ad es. un display elettronico), va messa in parallelo ad essa una resistenza di adeguato valore.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
9
Fase di Eccitazione
Regolatore
WL
Aux
+
+
U*=14V
A
B
R1
R3
T2
T1
R2
Regolatore
Circuito di eccitazione. Il circuito è tale per cui i tre diodi del raddrizzatore Aux costituiscono un semiponte
superiore del quale il semiponte inferiore è fornito dal semiponte inferiore del raddrizzatore principale.
Quando la tensione è bassa la corrente che fluisce nella parte rossa del percorso è circa pari (poco superiore) a
quella che fluisce nell’avvolgimento di eccitazione; quando è alta è invece circa 0.
Ad ogni modo, considerando che la corrente di eccitazione è modesta rispetto alla corrente del circuito
principale, si può affermare che la corrente del circuito rosso non costituisce sovraccarico per i diodi della parte
inferiore del ponte principale, che possono pertanto essere identici a quelli della parte superiore.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
10
Regolazione a frazionatore
i2
i1
I1=cI2
+ Chop +
Aux
Tc
Ti
T=Tc+Ti
t
-
ON/
OFF
+
U*=14V
u1=U
Controller
u2
U2=cU1
frazionatore abbassatore
Sistema di controllo della tensione Attraverso
Tc
chopperizzazione della tensione di batteria si
alimenta l’avvolgimento di eccitazione a tensione e
corrente a valor medio variabili:
Uecc=cUbatt
Iecc=Ibatt/c con
c=Tc/(Tc+Ti) = parzializzazione
Ti
T=Tc+Ti
t
Rispetto al sistema precedente si ha il
vantaggio di minori perdite (i componenti
lavorano in saturazione) e lo svantaggio di una
maggior complessità.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
11
Massima erogazione di corrente (documentazione costruttore)
Fase di Pre-eccitazione
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
12
Massima erogazione di corrente di gruppo alternatore - raddrizzatore
I
Req
+
U
+
Eeq
-
Massima erogazione al variare del numero dei giri I costruttori
qualificano i loro gruppi generatore-raddrizzatore attraverso la massima
erogazione di corrente a tensione costante. Una curva di questo genere è
riportata in figura, e ricavata analiticamente dalla seguente equazione
(con i relativi dati numerici):
I=
150
E − U ωu En − U
=
Ri
ω u Rin
En=15 V V=13,5V, Rin=0,1 Ohm
Ovviamente la Ri presente nell’equazione non è una vera resistenza
interna, ma un coefficiente in grado di tener conto delle cadute di
tensione per effetto del fenomeno della commutazione. Questo spiega
anche come mai Ri risulti proporzionale alla velocità di rotazione
dell’alternatore.
I [A]
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Om_u
Per ottenere queste curve i costruttori effettuano le prove mantenendo la
tensione ai morsetti più bassa del valore di riferimento del regolatore, ad
es. 13,5V.
Sullo stesso grafico possono essere anche riportati:
• la potenza assorbita del motore primo (molto utile per il dimensionamento della cinghia di PTO); la potenza di
uscita è invece, ovviamente, proporzionale a I.
• il rendimento, di solito sempre decrescente e nel campo 25-45% per alternatori ordinari, fino al 60% per
alternatori a rendimento aumentato. Il rendimento può non essere riportato, in quanto ricavabile agevolmente
dagli altri due grafici.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
13
Generazione elettrica di scooter (1)
+
V1
V3
V4
V2
Carichi
G
T
Esempio di realizzazione monofase
Raddrizzatore trifase con SCR di bypass
Generatore (monofase o trifase) a magneti permanenti
Regolazione frazionando direttamente la tensione di uscita invece della tensione di eccitazione
Negli istanti in cui il tasto T è chiuso la tensione è fornita al carico dalla batteria mentre il ponte a diodi
impedisce il riflusso della corrente verso l’alternatore.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
14
Generazione elettrica di scooter (2)
Tensione concatenata mostrante fasi con attivazione degli SCR di bypass
+
V3
V4
V2
G
Carichi
Nelle fasi a tensione bassa la corrente è fornita al
carico dalla batteria
V1
T
Nelle fasi a tensione alta il generatore eroga corrente
al carico e, se del caso, alla batteria
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
15
Generazione elettrica di scooter (3)
L’alternatore è spesso del tipo
alternatore-volano:
-Rotore a campana (esterno) a magneti
permanenti (fa anche da volano)
- statore interno avvolto
- vengono integrate le funzioni di
generazione elettrica a tensione di
batteria e generazione degli impulsi ad
alta tensione necessari all’accensione
(v. sistemi di accensione “a magnete”)
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
16
Generazione elettrica di bicicletta
Uu =
ωu Xn
Un
E=ωu En
R
ωu E n
R 2 + (ω u X n ) 2
8
8
V [V]
VU/V
6[V]
6
4
Grafico realizzato con i seguenti dati:
Un=6 V;
PR=3,5W =>
U ∞ = En
4
2
Generatore monofase a magneti permanenti
R
R
Xn
2
0
0
0
0
2.5
2.5
R=10 Ohm
5
5
7.5
10
7.5
Om_u 10
Om_u
e:
En=6,5 V;
Xn=10 Ohm
Il sistema è autoregolato sulla tensione in quanto opera normalmente in condizioni tali che ωuXn>>Ru.
Evidentemente questa interessante soluzione ha senso solo nei rari casi, come quello della bicicletta, in cui il
carico elettrico è noto e costante e la velocità del motore primo variabile.
Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica
17
