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Sistemi di generazione elettrica per autoveicoli
Nota
Questo documento non è auto-sufficiente, in quanto la gran parte delle nozioni da fornire agli studenti sui sistemi di
generazione per autoveicoli sono riportati nel file ppt, il quale quindi non è un estratto del presente documento, ma
un documento più generale, seppur, inevitabilmente, non discorsivo.
Sommario
1.
2.
3.
Generalità.................................................................................................................................................... 1
Curve caratteristiche di un alternatore .......................................................................................................... 2
Simulazioni del sistema di generazione ........................................................................................................ 3
3.1. Simulazione SoloGen .............................................................................................................................. 5
3.1.1. Simulazione 1 .................................................................................................................................. 6
3.1.2. Simulazione 2 .................................................................................................................................. 7
3.1.3. Simulazione 3 .................................................................................................................................. 7
3.2. Simulazione GenNoContr ........................................................................................................................ 8
3.2.1. Simulazione 1 .................................................................................................................................. 9
4.
Corrente e potenza di eccitazione............................................................................................................... 11
1. Generalità
Il sistema di alimentazione dei sistemi elettrici per autoveicoli, nella versione più diffusa, contempla la presenza di
tre diodi ausiliari per realizzare la tensione di alimentazione dell’eccitazione.
Ci si può chiedere perché l’alimentazione dell’eccitazione non venga direttamente prelevata dalla sbarra DC.
La ragione di questa soluzione sta nel fatto che prelevando l’alimentazione dell’eccitazione dalla sbarra DC non risulta possibile, a meno di complicate soluzioni costruttive, l’inserzione della Warning Lamp (WL) che è ritenuta di
importanza fondamentale per l’esercizio del veicolo, in quanto con lampada accesa la sua autonomia si riduce fortemente (è dell’ordine dei 60 minuti). Con la soluzione dei tre diodi, la corretta alimentazione della WL è invece di immediata realizzazione.
Peraltro i tre diodi hanno un dimensionamento molto più leggero dei diodi del raddrizzatore principale, dovendo
convogliare la potenza di eccitazione che è solo una piccola frazione della potenza erogata dall’alternatore, e quindi la
loro presenza non sostituisce un particolare aggravio di costo.
Resta inteso che in un sistema di controllo dell’eccitazione a circuito integrato, composto da sensori, convertitori
A/D e microcontrollore si possono escogitare soluzioni diverse, che quindi non contemplano la presenza della terna di
diodi ausiliari .
Load
+
+
Chop
Aux
ON/
OFF
+
V*=14V
Controller
frazionatore
Fig. 1: Schema generale dell’alimentazione del sistema elettrico dell’autoveicolo.
Complementi Generazione pag. 1
Il controllo (in rosso in figura), di norma è del tipo ad isteresi. Ecco perché si è evidenziato per il chopper un ingresso ON/OFF anziché la parzializzazione.
Sono usati anche schemi con l’uso di diodi Zener che forniscono la V*, i quali effettuano la regolazione in maniera
continua anziché ad isteresi (cfr. lucidi ppt).
2. Curve caratteristiche di un alternatore
Le curve caratteristiche sono l’erogazione di corrente e potenza a tensione ai morsetti costante .
C’è da chiedersi come vadano interpretate tali curve.
Consideriamo inizialmente di essere a corrente di eccitazione costante. Allora il circuito
che va considerato è quello rappresentato in figura, in cui E e Ri sono gli equivalenti di forza
elettromotrice e reattanza di commutazione viste dai morsetti DC del raddrizzatore.
La forza elettromotrice E e la resistenza interna Ri sono proporzionali alla velocità angolaV
re del rotore . Posto = / n, si ha:
Ri
+
E
u En
E V
Ri
I
V
u Rin
in cui En è la forza elettromotrice alla velocità n0,
velocità.
u=n/n0,
e Rin è l’equivalente DC della reattanza alla medesima
150
I [A]
Il corrispondente grafico è calcolato nel file Alternatore.xls. Per
En=15 V V=13,5V, Rin=0,1 Ohm, si ha il grafico riportato accanto, in cui in ascisse si ha la velocità angolare in p.u. u, in ordinate la corrente erogata in A.
Questo grafico è sufficientemente conforme ai citati grafici di Denton e Bosch.
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Om_u
Il precedente grafico è stato ricavato nell’ipotesi di avere Iecc= costante. Questa ipotesi è realistica in quanto la prova è fatta (come normalmente dai costruttori) a tensione ai morsetti di 13,5V<14V. In queste condizioni la macchina è
eccitata alla massima tensione di eccitazione.
E’ evidente la significatività di questo caso, in quanto dà la massima corrente erogabile a tensione costante; nei
casi pratici se il carico richiede (affinché la tensione resti costante) una corrente minore verrà automaticamente attivata dal controllo la chopperizzazione della tensione di eccitazione.
In definitiva, quindi, i grafici danno la massima uscita in corrente alle varie velocità.
La massima velocità sopportabile in servizio continuo dall’alternatore determina poi il rapporto di trasmissione.
Alternatori convenzionali hanno velocità massime dell’ordine di 15-17krpm, che impongono rapporti di trasmissione
di 2-3 per veicoli a benzina, 4-5 per veicoli diesel.
Alternatori moderni vengono costruiti con velocità particolarmente elevate, per ridurre il peso specifico. Ad es. utilizzando una costruzione speciale che sposta gli anelli al di fuori dei cuscinetti, consente di ridurre il loro diametro e
quindi le velocità periferiche, il che consente di arrivare a velocità di 20krpm.
La costruzione dei rotori (fig. 2), per ragioni di economicità, è molto diversa dai grandi alternatori: l’avvolgimento
ha asse coassiale all’albero dell’alternatore, e i poli, a “tenaglia” (detti, con terminologia anglosassone, claw-poles),
sono in numero notevole lungo il traferro. Il circuito magnetico quindi si svolge assialmente attraverso l’albero, con
ritorno attraverso i poli, con “salto” delle linee di flusso dai poli nord ai poli sud. Durante i salti le linee di flusso
scappano al rotore e attraversano lo statore, concatenandosi con i relativi avvolgimenti.
Il numero di poli è di norma pari a 12 o 16 (6 o 8 coppie polari).
Complementi Generazione pag. 2
Fig. 2: Aspetto costruttivo di alternatore per uso automobilistico.
3. Simulazioni del sistema di generazione
Dati significativi, ricavati da documentazione Marelli (Piaggio Porter):
Tensione nominale: 14 V
Corrente nominale: 45A
Velocità di funzionamento continuo: 1-15 krpm
Velocità di attivazione: 1000 rpm a 13,5V
Numero di poli (da ispezione visiva del rotore): 12
Resistenza di eccitazione: 3,1 Ohm
Per ricavare i dati dell’alternatore trifase da inserire nelle simulazioni occorre definire una velocità di riferimento.
Utilizzo 4krpm che è il valore che corrisponde nelle specifiche di prova (circa) alla corrente nominale di 45 A.
p=6 (coppie polari)
nn =4000 (velocità di riferimento; essa implica n=2 nn/60=418,9 rad/s, n=2513 rad/s inoltre è fn=4000/60x6=400
Hz)
Un: 14 x ( /(3 2) =10,37V
Pn=VnIn=14x45=630 W
Inoltre, in mancanza di ulteriori dati, ed in attesa di verifiche sperimentali, assumiamo:
T=2s (tempo di avviamento da 0 a nn)
Xth=1 p.u., Rth=0,1 p.u. (da portare in Ohm attraverso Zn=Un2/Sn Zn=Un2/Pn)
Vecc-nom è la tensione che a vuoto, alla velocità di riferimento, dà la tensione nominale ai morsetti. Alla velocità di
1000 rpm la tensione di eccitazione che a vuoto dà la tens. nominale è di 14 V1. A 4 krpm, essa sarà quindi
14/4=3,5 V Quindi Vecc-nom=3,5 V
Linea di connessione fra il gruppo alternatore e la batteria
Si usano dati di progetto disponibili in documentazione tecnica, riportati in fig. 3 e 4.
1
In realtà 13,5V, considerando la documentazione dell’alternatore, ma, per semplicità portiamo questo valore a
14V.
Complementi Generazione pag. 3
Fig. 3: Parametri caratteristici di cavi (da pubblicazione Bosch)
Fig. 4: Cadute di tensione ammissibili nei vari tratti di cavo (da pubblicazione Bosch).
Complementi Generazione pag. 4
Considero una lunghezza di due metri, una caduta di tensione massima di 0,4V, una corrente massima di progetto
di 50 A:
Dimensionamento sulla base della portata con temp. ambiente di 50 gradi. Dalla fig. 3 si ha 10mm2=> 51,8A (50°),
73A (30°).
Caduta di tensione. Effettuo il calcolo a 50°C. Dalla fig. 4, considerando il coefficiente di variazione della conducibilità del rame al variare della temperatura2: V=1,09*1,82*2*50=0,19V < 0,4 V (quindi va bene)
Pertanto la resistenza fra alternatore e batteria a 20°C è: 3,64 m .
Linea di connessione al carico (sbarra di plancia)
In via semplificativa consideriamo una linea fra la batteria e la plancia di 2m.
Considero altri 0,4 V di caduta.
Nella peggiore delle condizioni ipotizzo che il carico sia di 700 W .
I=700/14=50A => S=10 mm2 è adeguata (calcoli termici e di cdt identici a quelli svolti nel precedente punto)
Pertanto la resistenza fra batteria e plancia a 20°C è: 3,64 mΩ.
Carico
Consideriamo una condizione di funzionamento del veicolo in cui il carico (a 14 V) è di 300 W.
Rcar=14^2/300=653 mOhm.
Batteria
Supponiamo di avere una batteria con corrente di corto circuito di 150A.
Se ne ottiene, con f.e.m. di 13V, R=87 mΩ.
3.1. Simulazione SoloGen
Questa simulazione ha l’obbiettivo di mostrare il funzionamento del modello del generatore al variare della corrente di carico e della tensione di eccitazione.
Il circuito può essere realizzato come riportato alla figura seguente.
is_abc
3
IG _3
vs _abc
VRL _3
e_abc
m
3
VG_3
wm
IRL _3
EG_3
Pe
Wm-Pe
1
m
w
1.43
E
3
B
C
Simplified Synchronous
Machine pu Units
powergui
Rl1
A
SSM
Continuous
VRL 3
Rl2
Rl3
3
Dot Product
Pe1
IRL 3
Fig. 5: Modello di simulazione per la valutazione del modello disponibile in SimPowerSys
della macchina sincrona semplificata in p.u.
I parametri che sono stati assunti per la macchina elettrica sono congruenti con quelli riportati nel precedente paragrafo e visualizzati in fig. 6.
Le simulazioni sono tutte effettuate alla velocità di rotazione nominale della macchina.
2
il coefficiente termico del rame è 0,3% per grado
Complementi Generazione pag. 5
Fig. 6: Parametri della macchina sincrona usati per le simulazioni.
3.1.1. Simulazione 1
In questa simulazione si carica l’alternatore con carico molto modesto, in quanto la resistenza è posta pari a 20
Ohm, che fanno erogare una potenza molto piccola rispetto a quella nominale. Con questo carico ci si attende che la
f.e.m. coincida sostanzialmente con la tensione ai morsetti.
Con Ef=1 p.u. la tensione ai morsetti è quindi quella nominale.
Nell’esercizio è opportuno selezionare Rl da Workspace: questo ne favorisce una rapida modifica. Con Rl>10 Ohm
l’alternatore è sostanzialmente a vuoto.
10
0.5
5
0
0
-5
-10
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
Tensioni stellate ai morsetti [V]
-0.5
0.016
0.018
0.019
0.02
Correnti erogate al carico [A]
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
0.016
0.017
-1
0.017
0.018
0.019
0.02
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
Forze elettromotrici p.u.
Tensioni ai morsetti p.u.
Fig. 7: Alcuni risultati della simulazione 1, effettuata con alternatore sostanzialmente a vuoto.
Complementi Generazione pag. 6
Dai grafici si osserva come il generatore indichi che sia la E che la V hanno valore di picco pari al valore nominale.
Evidentemente per le grandezze del generatore la normalizzazione è fatta con riferimento non ai valori efficaci bensì
ai valori di picco.
La corrispondente tensione, in volt, misurata sulle resistenze, ha valore di picco pari a 8,46V, conforme con un valore nominale della macchina (concatenato efficace) di 10,367 V
3.1.2. Simulazione 2
In questa simulazione si carica l’alternatore con resistenza tale che, se alimentata alla tensione nominale, assorbirebbe una corrente pari a quella nominale, lasciando l’eccitazione pari a 1. Con questo carico ci si attende che la tensione ai morsetti sia sensibilmente inferiore alla fem, e quindi che la potenza elettrica effettivamente erogata al carico
sia inferiore ai 630 W nominali.
La resistenza da inserire è facilmente calcolata e deve valere 0,17 Ohm.
40
10
30
20
5
10
0
0
-10
-20
-5
-30
-10
0.016
0.017
0.018
0.019
-40
0.016
0.02
0.018
0.019
0.02
Correnti erogate al carico [A]
Tensioni stellate ai morsetti [V]
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
0.016
0.017
-1
0.017
0.018
0.019
0.02
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
Forze elettromotrici p.u.
Tensioni ai morsetti p.u.
Fig. 8: Alcuni risultati della simulazione 2, con tensione di eccitazione al valore nominale
e resistenza di carico di 0,17 Ohm.
In effetti le simulazioni mostrano molto chiaramente la riduzione della tensione ai morsetti rispetto al valore precedente (e alle forze elettromotrici generate).
3.1.3. Simulazione 3
In questa simulazione si parte dalla simulazione 2, ma si modifica per tentativi la tensione di eccitazione in maniera da avere una tensione ai morsetti pari al valore nominale.
In tal modo si sopperisce a non aver modellato alcun regolatore di tensione, e contemporaneamente di visualizza la
tensione a sistema “regolato”.
Complementi Generazione pag. 7
10
60
40
5
20
0
0
-20
-5
-40
-10
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
-60
0.016
Tensioni stellate ai morsetti [V]
0.017
0.018
0.019
0.02
Correnti erogate al carico [A]
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
0.016
-1.5
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
0.017
0.018
0.019
0.02
Tensioni ai morsetti p.u.
Forze elettromotrici p.u.
1.4
800
1.2
700
600
1
500
0.8
400
0.6
300
0.4
200
0.2
100
0
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Potenza elettrica erogata [W]
Potenza elettrica generata p.u.
Fig. 9: Alcuni risultati della simulazione 2, con tensione di eccitazione al valore nominale
e resistenza di carico di 0,17 Ohm.
Oltre alle solite considerazioni sulle tensioni, le figure sopra riportate mostrano anche la differenza fra la potenza
elettrica generata e quella erogata al carico, la differenza essendo dovuta alle perdite sulla resistenza interna
dell’alternatore.
3.2. Simulazione GenNoContr
Questa simulazione ha l’obbiettivo di mostrare approssimativamente gli andamenti delle varie grandezze in un sistema completo basato sulla macchina studiata nei precedenti paragrafi, sebbene ancora non dotata di regolatore
dell’eccitazione.
Complementi Generazione pag. 8
Alternatore: Modello elettrico attraverso equivalente di Thevenin; modellazione dell’inerzia meccanica (Nota: il
secondo input del modello è direttamente la fem, e non la i di eccitazione; pertanto, a meno di non farlo noi esplicitamente, la fem stessa non risulterà proporzionale alla velocità angolare meccanica!!)
Batteria
Modello fem-resistenza interna
Carico
Si modella l’aggregato dei carichi come visto dalla plancia
[A ]
Continuous
Goto
m
1
A
SSM
Iac
B
E
C
Rline 2
Rline 1
A Vabc
Iabc
B
a
b
C
c
w
A
+
B
-
C
Simplified Synchronous
Machine pu Units
Rbat
Raddr 1
Carico
plancia 1
is_abc
Ebat
Iacg
1.32
vs _abc
[A]
From
m
Vacg
e_abc
wm
Wm
Pe
Machines
Measurement
Demux 1
Pe
1
3
Multimeter 1
I:L,B,C
Multimeter
Vdc
Fig. 10: Modello di simulazione della generazione elettrica veicolare con SimPowerSystems.
3.2.1. Simulazione 1
In questa simulazione la resistenza di carico è tale da assorbire, alla tensione di 14 V, la potenza di 300 W.
La velocità di rotazione dell’alternatore è mantenuta al valore nominale (4000 giri)
La tensione di batteria è posta a 13,5 V.
L’eccitazione è scelta ad un valore che dia in uscita del raddrizzatore 14 V. In queste condizioni si osserva come
l’alternatore eroghi una parte della corrente (quindi della potenza) verso la batteria, un’altra verso il carico.
Per quanto riguarda gli snubber del ponte a diodi, si cita (senza dimostrarlo che è opportuno che essi realizzino,
con la reattanza di commutazione, un risuonatore che avvia una frequenza di risonanza nel campo 5000-10000 Hz,
con smorzamento fra 0,5 e 1.
La reattanza di commutazione nel nostro caso è il doppio della reattanza sincrona dell’alternatore.
Un possibile dimensionamento che si ottiene (i calcoli possono essere lasciati come esercizio al lettore) è:
Csn=1µF, Rsn=20Ω
Cui corrisponde una frequenza di oscillazione di 7957 Hz e uno smorzamento di 0,82.
La caduta di tensione diretta dei diodi è posta pari a 0.
In fig. 11 è riportata la finestra dei parametri assunti per il ponte a diodi.
Complementi Generazione pag. 9
Fig. 11: Parametri per la simulazione 1 del sistema completo.
30
14.5
14.4
25
14.3
14.2
20
14.1
15
14
13.9
10
13.8
13.7
5
13.6
13.5
0
3
3.5
4
4.5
5
3
3.5
4
4.5
5
-3
x 10
-3
x 10
Correnti DC di linea, batteria, sul carico [A]
Tensione in uscita dal ponte e sul carico [V]
30
15
20
10
5
10
0
0
-5
-10
-10
-20
-15
-30
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
3
3.5
4
-3
x 10
Correnti in ingresso e corrente in uscita
al ponte [A]
5
-3
Tensioni concatenate in ingresso al ponte
[V]
Fig. 12: Alcuni risultati della simulazione 1,con sistema completo.
Complementi Generazione pag. 10
4.5
x 10
5
Si possono fare le seguenti osservazioni:
la corrente erogata dal ponte a diodi ha un’ondulazione sensibilmente superiore a quella assorbita dal carico la
spiegazione è molto semplice e può essere lasciata al lettore;
la tensione di eccitazione è numericamente inferiore a quella ottenuta negli esempi precedenti, in quanto
l’alternatore eroga una corrente sensibilmente inferiore a quella degli esempi precedenti. Infatti una minore
corrente erogata implica minori cadute di tensione sulla reattanza interna della macchina sincrona e quindi
minore differenza fra la forza elettromotrice E e la tensione ai morsetti della macchina;
le forme d’onda delle tensioni concatenate primarie sono composte da tratti adiacenti, in ognuno dei quali esse
assumono i valori, eventualmente cambiati di segno, presenti a valle del ponte. Ogni passaggio da un tratto
all’altro coincide con una commutazione interna al ponte, in cui un diodo passa da conduzione ad interdizione
ed un altro da interdizione a conduzione;
anche le forme d’onda delle correnti primarie sono composte da tratti adiacenti, in ognuno dei quali esse assumono i valori, eventualmente cambiati di segno, presenti a valle del ponte. Ad es. la corrente di uscita a 2,3
ms è pari a I1, mentre a 3,8 ms è pari a –I3.
Per ulteriori dettagli si rimanda a testi illustrativi del funzionamento dei ponti a diodi trifasi.
Simulazione proposta
Si suggerisce lo studente di riprovare la simulazione portando da 0 a 0,8 V la caduta di tensione diretta dei ponti a
diodi. Se ne ricaverà che è necessario incrementare la tensione di eccitazione per compensare la riduzione di tensione
sul carico indotta dalle cadute di tensione sui diodi.
In effetti a differenza dei ponti a diodi di alta potenza, per i quali le cadute di tensione sono molto piccole rispetto
alla tensione DC e possono essere trascurate, nel caso dei ponti per uso automobilistico, l’impatto della caduta dei
diodi è molto più marcato.
4. Corrente e potenza di eccitazione
Dai dati del nostro alternatore risulta:
Iecc_nom=14/3,1=4,5A 0,1 In
Pecc_nom=142/3,1=63W 0,1 Pn
Confrontiamo questi dati con i corrispondenti di alcune grandi centrali.
Alternatore centrale geotermoelettrica di Valle secolo (Campo geotermico di Larderello):
Pn=75 MVA; Vnom=15kV; In=2886A; Ieccnom=1025A; Pecc=142 kW rendim. =0,982
da cui:
Ieccnom=35,5% In
Pecc=0,2% Pn
Alternatore unificato campo geotermoelettrico di Larderello da 20 MVA:
Pn=20 MVA, Vn=6kV; Pecc=75kVA
da cui:
Pecc=0,37% Pn
Quindi si può dire che negli alternatori di piccole centrali le perdite di eccitazione sono qualche per mille.
Il valore numerico della corrente di eccitazione (nel caso dell'alternatore di Valle secolo) è molto elevato in quanto, evidentemente, queste Pecc corrispondono ad una tensione bassa e corrente elevata, il che è ottenuto attraverso adeguata scelta del rapporto di trasformazione del trasformatore dell'eccitatrice statica.
Nel caso degli alternatori di automobile il trasformatore di eccitazione manca, e quindi la tensione di alimentazione
dell'eccitatrice (la quale fra l'altro è un ponte a diodi più un chopper o altro sistema di parzializzazione invece che un
ponte a SCR) è pari alla tensione nominale dell'alternatore.
E' evidente quindi che in questo caso l'avvolgimento di eccitazione sarà composto da molte spire di piccola sezione, mentre l'avvolgimento degli alternatori con trasformatore di eccitazione ha poche spire di piccola sezione.
Un parallelo fra i grandi e piccoli alternatori può quindi essere fatto soltanto prendendo in considerazione le Pecc, e
non le Iecc.
Dai dati forniti si vede che per i grandi alternatori citati le Pecc sono dell'ordine di qualche per mille; mentre per
l’alternatore di automobile siamo intorno al 10%.
Essendo l'eccitazione alimentata dalla tensione ai morsetti della macchina senza interposizione di trasformatore,
questo corrisponde a Iecc di qualche per cento.
Complementi Generazione pag. 11