Azionamenti: im
annuncio pubblicitario
Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori asincroni Motori e Riluttanza Variabile 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 3- 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 3- 3 Indice del Modulo ■ ■ Introduzione Modello statico equivalente trasformatorico ➨ curve caratteristiche ➨ ■ Controllo basato sul modello statico controllo V/F costante ➨ controllo a scorrimento ➨ ■ Modello dinamico equazioni delle correnti e del flusso ➨ equazione della coppia ➨ ■ Controllo vettoriale schemi a blocchi del controllo ➨ stima del flusso ➨ ■ Motori a Riluttanza Variabile Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 4 Introduzione 1’ statore analogo a quello del motore sincrono 2 3 2 1 2’ 3 assi magnetici delle tre fasi 3’ 1 tipica realizzazione trifase siccome si associano le correnti ai flussi, si assume per le correnti un vettore rappresentativo allineato con l’asse magnetico della relativa fase Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 5 Introduzione rotore con avvolgimenti cortocircuitati 1’ 3 2 gabbia di scoiattolo Il flusso sul rotore va indotto dallo statore 2’ 3’ 1 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna motore asincrono sistema non lineare difficile da controllare 3 circuiti di rotore 3 circuiti di statore Azionamenti Elettrici 3- 6 Introduzione Caratteristiche generali ■ Il motore produce coppia solo se la velocità meccanica (ω r) è diversa da quella del campo rotante (ω s) ➨ ■ motore asincrono Se il rotore taglia le linee di flusso del campo rotante (ωr≠ωs) si induce sul rotore una tensione che fa circolare una corrente sugli avvolgimenti cortocircuitati ➨ sul rotore si genera un flusso rotante alla stessa velocità del campo (ma con fase variabile) che, interagendo con esso, genera coppia ➨ il campo rotante genera sia il flusso che la coppia ➨ la velocità nominale del motore è minore di quella di sincronismo ● occorre scorrimento per generare coppia ➨ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 7 Modello statico Equivalente trasformatorico ■ Il motore asincrono si comporta come un trasformatore con accoppiamento tra primario e secondario variabile con lo scorrimento ωe −ωm s= ωe Scorrimento Rs Xds Xdrs Is Vs Rrs Irs Im Xm Vr 1− s R rs s Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Xm più piccola di quella del trasformatore per la presenza del traferro. Im anche 40-50% Inom nei piccoli motori Simula come una dissipazione la potenza meccanica trasferita Azionamenti Elettrici 3- 8 Modello statico Curve caratteristiche ■ Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti Cmax C Cavv Cnom Rendimento rotorico ηr = 1-s Generatore 0 1 Motore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna s Coppia a basso s Cm = k*s Azionamenti Elettrici 3- 9 Modello statico Curve caratteristiche ■ Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti Cmax Cavv C Cnom motore standard per avviamenti a carico 0 1 s Motore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 10 Modello statico Curve caratteristiche ■ Caratteristica meccanica a tensione e frequenza costanti Cmax C Cnom Cavv 0 1 motore speciale per funzionamento a frequenza variablie s Motore servirebbe anche una struttura magnetica speciale Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 11 Modello statico Curve caratteristiche ■ Caratteristica meccanica ideale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) V ed f crescono C 0 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna si sono trascurate le cadute sulle resistenze statoriche ω Azionamenti Elettrici 3- 12 Modello statico Curve caratteristiche ■ Caratteristica meccanica reale a tensione e frequenza variabili (V/f = costante) C V ed f crescono 0 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna si sono considerate le cadute sulle resistenze statoriche ω Azionamenti Elettrici 3- 13 Modello statico Numero di poli ■ si possono realizzare motori con numero di poli diverso tipici ● 2, 4, 6 poli ➨ speciali ● 8, 12, 16, 24 ➨ per avviamenti con coppie elevate (es. ascensori) doppia polarità ● 2/12, 4/16 ➨ ■ effetto del numero di poli ➨ a parità di potenza ● al crescere del numero di poli si ha una minore velocità nominale e, quindi, una maggiore coppia nominale (P=Cω) ● le dimensioni, il peso ed il costo sono funzione della coppia erogata. Crescono quindi al crescere del numero di poli Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 14 Pregi e difetti Pro ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Pilotaggio sullo statore Funzionamento in ambiente ostile anche con presenza di polveri ferromagnetiche Basso costo Nessun problema alle alte temperature Elevata capacita' di sovraccarico Coppie dinamiche anche 5-6 volte quella nominale Prestazioni elevate in esecuzioni speciali e con azionamenti idonei. Possibilita' di funzionamento a velocita' superiori a quella nominale con coppia ridotta (deflussaggio) Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Contro ■ ■ ■ ■ calore generato anche sul rotore (ventilaz.) la potenza fornita genera coppia e campo inerzia relativamente elevata per la presenza di ferro sul rotore controllo difficile Azionamenti Elettrici 3- 15 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante ωm f Kf se ω in r.p.m. Kf = p/120 PWM V Inverter + Motor sinus. V Kv Kv = Vmax/fmax problemi alle basse velocità per le cadute resistive numero di poli Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 16 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante V Vnom modifiche per compensare le cadute resistive a bassa velocità off-set Vo nonlineare lineare fnom Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna f Azionamenti Elettrici 3- 17 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità del tipo V/f = K costante compensato ωm Kf f PWM V Inverter + Motor sinus. V Kf = p/120 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 18 Azionamenti per motore asincrono V Vnom se deflussaggio Vo fnom Rs Xds Xdrs Is Vs Rrs Se f > fnom e Vs = Vsnom Irs Im Xm f Vr 1− s R rs s Attenzione alla potenza Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Im cala deflussaggio Azionamenti Elettrici 3- 19 Azionamenti per motore asincrono Controllo del tipo V/f costante ■ In terminologia tecnica questo tipo di azionamento è chiamato INVERTER ➨ controllo di velocita' in catena aperta ● velocita' dipendente dal carico ● si può aggiungere un controllo di velocità ● la velocità può essere superiore alla velocità nominale ✙ potenza costante prestazioni dinamiche modeste ➨ problemi alle basse velocità ed in presenza di coppie di carico variabili ➨ costo minimo per Kw ➨ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 20 Azionamenti per motore asincrono Controlli basati sulle caratteristiche statiche Controllo di velocità a scorrimento ωsp PID ∆ω + ω + f Kf ωm slip control PWM V Inverter + sinus. Motor ω V schema base V/f Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 21 Azionamenti per motore asincrono Controllo di scorrimento ■ controllo di velocita' in retroazione ➨ ■ ■ velocita' non dipendente dal carico prestazioni dinamiche migliorate ma non eccezionali piu' costoso per la presenza del sensore Controllo diretto di coppia ■ controllo senza sensore di velocità (sensorless) ➨ ■ ■ ■ velocità e coppia di carico stimate con modello prestazioni dinamiche buone problemi alle bassissime velocità ed in frenata più costoso per la necessità di un buon processore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 22 Motore Asincrono ad Induzione - modello dinamico Schema a blocchi equivalente vd + - + + id 1 Req+σ s iq + - 1 Req+σ s f.e.m. krτr-1 B A B id vq - ω + ω0 σ ϕ iq kr Tm X ϕ kr ϕ Lsr 1+τr s Tr A 1 J τr iq Lsr ω X Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 23 Azionamenti basati sul modello dinamico Controllo ad Orientamento di Campo Csp 1 km ρ Iqsp PID Vq COR ω V Inverter + PWM Motore Tinv ϕsp PID FLUX ϑstim. stim. Idsp PID Vd COR Id I STIMAT. FLUSSO Tdir Iq ϕ stim Controllo vettoriale di flusso Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 24 Stima del flusso ■ metodi diretti sensori di flusso (effetto Hall) nel traferro ● motori speciali ● rumore dovuto agli effetti delle cave statoriche ➨ avvolgimenti nelle cave ● flusso ottenuto per integrazione del segnale ● errori a bassa frequenza dovuti alle derive degli integratori ➨ sono richiesti motori speciali ➨ ■ metodi indiretti ➨ eleborazioni sul modello del motore ● osservatori di flusso ✙ ● sistema non lineare a parametri variabili stimatori di flusso ✙ più semplici Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 25 Motori a Riluttanza Variabile Motore passo passo ■ ■ ■ standard a magneti permanenti ibrido Motore coppia a riluttanza variabile ■ ■ standard a magneti permanenti Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 26 Motore passo-passo Alimentando una fase con una corrente costante il rotore si 4 2 porta nella posizione per la c b quale il circuito magnetico a a’ 1’ assume la minima riluttanza e 1 cioè con una coppia di denti (ac’ b’ a’) allineati con la fase alimentata (1-1’). 4’ 2’ La coppia dipende dal quadrato 3’ Motore a 4 fasi della corrente e dalla posizione. del tipo 6-8 Motore fortemente nonlineare ⇒ moti incrementali 3 Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 27 Motore passo-passo 3 Funzionamento 4 2 c b a 1 Motore a 4 fasi del tipo 6-8 fase 1-1’ alimentata a’ c’ 1’ b’ 4’ 2’ 3’ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 28 Motore passo-passo 3 Funzionamento 4 2 Motore a 4 fasi del tipo 6-8 c b fase 2-2’ alimentata a’ 1 1’ a b’ c’ 4’ 2’ 3’ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 29 Motore passo-passo 3 Funzionamento 4 2 Motore a 4 fasi del tipo 6-8 c b fase 3-3’ alimentata a’ 1’ 1 a b’ c’ 4’ 2’ 3’ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 30 Motore passo-passo 3 Funzionamento 4 2 c fase 4-4’ alimentata a’ b 1 1’ b’ a Motore a 4 fasi del tipo 6-8 c’ 4’ 2’ 3’ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 31 Motore coppia ■ statore 1 2 ■ 3 ■ ■ Un solo circuito è necessario per generare coppia Più fasi sono necessarie per garantire un movimento continuo N. denti di rotore = N. poli molti denti ➨ rotore ■ molta coppia e bassa velocità. controllo molto complesso Vista di dettaglio di: •motore lineare •motore rotativo Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 32 Motore coppia Funzionamento statore 1 2 3 rotore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 33 Motore coppia Funzionamento statore 1 2 3 rotore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 34 Motore coppia Funzionamento statore 1 2 3 rotore Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 35 Motore passo-passo Pro ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Semplicità di controllo Costo contenuto Elevato rendimento Calore sullo statore Elevate coppie a bassa velocità Coppia di mantenimento Controllo di posizione senza sensore Adatto anche per applicazioni informatiche grosse potenzialità di sviluppo per i motori a Riluttanza Variabile controllati in modo continuo Contro ■ ■ ■ ■ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Caratteristica non lineare Adatto solo per movimenti incrementali Bassa potenza velocità massima limitata dalla tensione Azionamenti Elettrici 3- 36 Motori lineari ■ ■ ■ La geometria dei circuiti magnetici è tale da generare una forza anzichè una coppia. L’allestimento meccanico è realizzato per generare movimenti lineari (spesso limitati) Esistono motori lineari sincroni a magneti permanenti ➨ asincroni ad induzione ➨ a riluttanza variabile ➨ Prof. Alberto Tonielli - DEIS Università di Bologna Azionamenti Elettrici 3- 37 Azionamenti Elettrici Parte 2 Tipologie dei motori e relativi azionamenti: Motori asincroni Motori e Riluttanza Variabile FINE Prof. Alberto Tonielli DEIS - Università di Bologna Tel. 051-6443024 E-mail: [email protected]
